книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

где давления р ; и р 0 выражены в Н/м2, объем Vh — в м3, а М г = = аЬ0.

Подставляя выражения для V^ в формулу для определения работы Lj, найдем

расход топлива Gm в кг/ч и его теплота сгорания IIи в кДж/кг, то индикаторный к. п. д. можно определить по формуле

3G007V;

11 i Q и

итпи

или

3600

(44)

где 3600 кДж/(кВт-ч) — термический эквивалент работы, равной 1 кВт-ч;

Q

' &i = 7Г — удельный’ индикаторный расход топлива в кг/(кВт-ч).

Ниже приведена величина индикаторного к. п. д. i];:

§2. ЭФФЕКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

ИТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ

Индикаторная мощность, развиваемая в цилиндре двигателя, не может быть полностью использована. Часть этой мощности расходуется на преодоление трения между трущимися деталями двигателя (между поршнями и цилиндрами, коленчатым валом и его подшипниками и др.), а также между движущимися деталями (маховиком, шатунами, кривошипами вала и др.) и воздухом; на насосные потери; на приведение в действие вспомогательных механизмов (насосов, вентиляторов, геператора, нагнетателя и др.).

. Следовательно, эффективная мощность двигателя N е (в кВт),

снимаемая с маховика, меньше индикаторной N xна величину мощ­

50

ности механических потерь NMи может быть определена из вы­ ражения

S

отношения хода поршня к диаметру цилиндра ц- и нагрузки

двигателя. Давление рм изменяется в зависимости от угловой скорости сое по линейному закону как у карбюраторных двигателей, так и у дизелей:

честь среднее давление механических потерь рм, то оставшееся среднее давление представляет собой условное постоянное давле­ ние на поршень, при котором создается работа, равная эффектив­ ной работе на валу двигателя. Эта величина называется средним эффективным давлением

Чтобы наглядно представить себе величины давлений р ь р м и ре, на рис. 15 показана схема, на которой, кроме этих^величин, изображена также работа механических потерь LM.

51

Эффективную мощность двигателя N e, по аналогии с индика­ торной мощностью N t, можно выразить через среднее эффектив­ ное давление р е:

Решив уравнение (49) относительно среднего эффективного давления (в МН/м2), получим

Механический к. п. д. двигателя, с помощью которого учиты­ вают механические потери в нем, представляет собой отношение эффективной мощности к индикатор ной:

ческих потерь увеличиваются, а механический к. п. д. (при по­ стоянном среднем индикаторном давлении p t) уменьшается. Это происходит как вследствие возрастания сил инерции, так п в результате увеличения механических потерь.

Прп уменьшении нагрузки, а следовательно, и давления pi значения механического к. п. д. снижаются, и на холостом ходу, когда давление p i = рм, коэффициент цм = 0. В последнем случае яся нндшсатюршя мощбюсгь полностью расходуется на покрытие механических потерь, т. е. мощность IVi = N M, и поэтому эффек­ тивная мощность двигателя также равна нулю.

Ниже приведены значения механического к. и. д. %, при максимальной мощности четырехтактных двигателей:

Значения среднего эффективного давления р е (в МН/м2) при максимальной мощности четырехтактных двигателей:

52

Оценку экономичности работы двигателя в целом производят по удельному эффективному расходу топлива ge на единицу эффек­ тивной работы (на 1 кВт-ч).

Эффективным к. п. д. называют отношение количества теплоты, превращенной в полезную эффективную работу на валу двига­ теля, ко всей затраченной теплоте:

/ Т

где ge —~ —удельпый эффективный расход топлива в кг/(кВт-ч).

+■ * С

Следовательно, эффективный к. и. д. т]е учитывает как тепло­ вые, так и механические потери в двигателе и поэтому равен произведению т];г]м.

Ниже приведены значения эффективного к. и. д. дй на режиме полной мощности:

Ниже приведены значения удельного эффективного расхода топлива ge в г/(кВт-ч):

Удельный эффективный расход топлива gc является величиной, обратно пропорциональной эффективному к. п. д. це, и зависит от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. На установившемся режиме (сое = const) минимальному значению расхода ge соответствует максимальная величина коэффициента де. Такой режим работы двигателя называют экономическим.

При уменьшении нагрузки удельный эффективный расход топлива у карбюраторных двигателей резко возрастает, так как значения коэффициентов rji и т)м при этом уменьшаются. Если двигатель работает на холостом ходу, то коэффициент г|м

топливная экономичность карбюраторных двигателей также ухуд­

53

шается, что вызвано уменьшением коэффициента % и включением экономайзера карбюратора.

У дизелей при уменьшении нагрузки коэффициент а вслед­ ствие уменьшения количества впрыскиваемого топлива увели­ чивается, что приводит к повышению коэффициента и умень­ шению удельного индикаторного расхода топлива gv

Удельный эффективный расход топлива gi у дизелей при уменьшении нагрузки несколько увеличивается из-за уменьше­ ния коэффициента т)м. При увеличении нагрузки дизеля этот расход увеличивается в результате ухудшения протекания процесса сгорания топлива. Нагрузку дизеля можно увеличивать только до появления в отработавших газах сажистых отложений (предел дымления).

Литровая мощность двигателя

Оценку работы двигателя с точки зрения использования рабо­ чего объема, а также его тепловой и динамической напряжен­ ности производят по литровой мощности.

Литровой мощностью двигателя N„ называют максимальную эффективную мощность, отнесенную к одному лптру рабочего объема двигателя:

Литровая мощность позволяет сравнивать и оценивать со­ вершенство рабочих процессов и конструкций двигателей различ­ ных типов и моделей. Чем больше литровая мощность, тем меньше при прочих равных условиях габаритные размеры и масса двига­ теля.

Ниже приведены значения литровой мощности N n (в кВт/л):

Рабочий объем цилиндра (в л)

колеблется в пределах 0,85—1,0. Для двигателей старых конструк­ ций оно доходит до 1,4.

54

повышением средней скорости поршня, что приводит к возраста­ нию сил инерции, а следовательно, к уменьшению величины меха­ нического к. п. д. и увеличению износа трущихся деталей двига­ теля. Кроме того, с повышением этого отношения увеличиваются высота и масса двигателя, а также ухудшаются наполнение цилин­ дров и индикаторный к. п. д. Однако при его увеличении диаметр цилиндра уменьшается, что снижает вероятность возникновения детонации.

скорости поршня, уменьшению высоты и массы двигателя, улуч­ шению наполнения и повышению индикаторного к. и. д. Однако при уменьшении этого отношения увеличивается диаметр поршня,

атакже сила давления газов на поршень.

§3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

При рассмотрении цикла двигателя внутреннего сгорания было установлено, что только часть теплоты, которая выделяется при сгорании топлива в цилиндре, преобразуется в полезную эффек­ тивную работу двигателя. Остальная же часть теплоты представ­ ляет собой тепловые потери.

Распределение количества теплоты, выделяющейся прп сго­ рании топлива, па полезную работу и на различные потери харак­ теризуется внешним тепловым балансом двигателя. Тепловой баланс составляют по результатам испытаний при установившемся тепловом состоянии двигателя. Он может быть составлен для различных режимов его работы.

Величину каждой составляющей теплового баланса отиосят к единице времени ( 1 ч), а также определяют в процентах ко всему

количеству располагаемой теплоты.

При помощи теплового баланса можно установить степень совершенства двигателя и наметить пути для устранения причин, ухудшающих экономичность его работы.

Уравнение теплового баланса можно написать в следующем

(?ост — остаточный член теплового баланса, включающий в себя

все виды неучтенных потерь.

55

Если тепловой баланс составлен в процентах от всего коли­ чества располагаемой теплоты, то уравнение теплового баланса можно написать в таком виде:

Я = Яе + ?в 4" ?г + Яа + <7oct = Ю0%,

где

<7e = | l 0 0 %; gB= ^ 1 0 0 % и т. д.

Располагаемое количество теплоты Q, отнесенное к 1 ч, опре­ деляют по формуле

Q — GTHU,

ИЛИ

Qn = %Q-

Количество теплоты, отведенное в охлаждающую среду через стенки и головку цилиндра, а также через поршень и другие детали, при жидкостном охлаждении можно определить по фор­ муле

но и теплота, эквивалентная работе трения поршней в цилиндрах. Количество теплоты, отводимое маслом, для двигателей без мас­ ляного охлаждения поршней доходит до 2—3%, а в случае масля­ ного их охлаждения — до 8 —1 2 % располагаемой теплоты.

Количество теплоты (в кДж/ч), уносимое отработавшими

за выпускным патрубком и свежего заряда в К. Количество теплоты, которое не выделилось, вследствие непол­ ноты сгорания, определяют для теплового баланса только в слу­ чае, когда коэффициент а < 1. Если коэффициент а 1, эта потеря невелика, и поэтому ее включают в остаточный член теп­

лового баланса.

Потерю теплоты вследствие неполноты сгорания определяют

56

где, как указывалось выше,

ДЯ„ = 119 750 (1 - a) L0 кДж/кг.

Остаточный член теплового баланса двигателя, представляю­ щий собой суммарное количество теплоты неучтенных потерь, может быть определен как разность:

В остаточный член баланса включают тепловые потери вслед­ ствие пзлученпя теплоты впешнпмн поверхностями двигателя; теплоту, соответствующую работе трения, за исключением теп-

1. Значения составляющих внешнего теплового баланса автомобильных двигателей в %

лоты, которая выделяется при тренпи поршней о стенки цилин­ дров; теплоту, соответствующую кинетической энергии отрабо­ тавших газов; теплоту, не выделившуюся вследствие неполного испарения топлива и плохого его перемешивания с воздухом.

Рпс. 16. Зависимость теплового баланса'двигателя:

а — от угловой скорости коленчатого вала юе ; б — от состава смеси (коэффициента избытка воздуха сс)

57

Значения отдельных составляющих теплового баланса двига­ теля не являются постоянными, а изменяются в зависимости от нагрузки, степени сжатия, состава смеси, теплового состояния и угловой скорости коленчатого вала двигателя. В табл. 1 при­ ведены прпмерпые значения отдельных составляющих внешнего теплового баланса автомобильных двпгателей при максимальной их мощности.

На рис. 16 показаны графики изменения теплового баланса в зависимости от угловой скорости коленчатого вала двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке (рис. 16, я) п от состава смеси (рис. 16, б). Рассматривая графики, можно убедиться в том, что при увеличении угловой скорости гоя зна­ чения qv увеличиваются, a qu — уменьшаются, что вызвано умень­ шением времени, в течение которого теплота отработавших га­ зов частично отводится в охлаждающую среду, причем температура газов несколько повышается. Кроме того, наилучшая топливная экономичность двигателя (рис. 16, б) получается при коэффи­ циенте а = 1,05 -г- 1,15. Если коэффициент а ■< 1, то тепловые потери <7В п <7г уменьшаются, но вместе с тем возрастают тепловые

потерн qa из-за неполноты сгорания, что ухудшает топливную экономичность двпгателя.

§ 4. ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ И УЛУЧШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

Развитие конструкций автомобильных двигателей пдет по пути повышения мощности и улучшения топливной экономичности, уменьшения габаритных размеров, снижения массы и увеличения срока службы.

Эффективную мощность (в кВт) двигателя определяют по формуле (49):

Подставляя вместо p i значение, найденное из выражения (43), п учитывая, что

My — aL0 и Ег = -ffpo,

1О

получим

где р0 — плотность воздуха в "кг/м3.

Из приведенных выше формул для определения мощности и давления ре следует, что мощность Ne можно повысить, изменяя параметры, входящие в эти формулы: например, увеличивая

58

рабочий объем Vh и число цилиндров iu. Однако это увеличивает габаритные размеры и массу двигателя. Такой способ можно при­ менить только в том случае, если использованы все остальные способы повышения литровой мощности двигателя.

Степень совершенства конструкции двигателя при условии хорошей топливной экономичности и повышенной износоустой­ чивости оценивают по его литровой мощности:

Формула (63) позволяет провести анализ влияния отдельных факторов на величину мощности Nn и наметить пути ее повышения.

При выборе способа повышения литровой мощности необ­ ходимо учитывать суммарное влияние всех факторов, входящих в правую часть уравнения (63).

ные величины оказывают влияние также и на экономические по­ казатели работы двигателя.

тельного цикла двигателя. Индикаторный к. п. д. в основном зависит от степени сжатия и состава горючей смеси. С увеличением степени сжатия и коэффициента избытка воздуха до определен­ ных пределов коэффициент гр увеличивается (рис. 17).

Максимальному значению коэффициента тр соответствует коэф­

~имеет при а > 1 , так как у них процесс смесеобразования

является менее совершенным, чем у карбюраторных двигателей: при а <: 1 цикл дизеля протекает при неполном сгорании топлива

и сопровождается выделением сажистых отложений в отработав­ ших газах.

Повышению литровой мощности карбюраторных двигателей способствует увеличение степени сжатия е и уменьшение коэф-

59