Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

418

Контрольные вопросы и задания

1. Охарактеризуйте основные типы систем подачи топлива

дизелей.

2. Перечислите основные элементы систем топливоподачи

дизелей.

3. Какие типы форсунок используются в системах топливо-

подачи дизелей?

4. Какие параметры и показатели характеризуют процессы

топливоподачи дизелей?

5. Объясните особенности процесса распыливания топлива

при впрыске.

6. Как влияет тип распылителя на процессы распыливания

топлива?

7. Как влияет давление топлива перед форсункой и проти-

водавление среды на процессы распыливания топлива?

8. Назовите основные типы камер сгорания в дизелях.

9. Объясните особенности процессов смесеобразования в

дизелях с неразделенными и полуразделенными камерами сгора-

ния.

10. Объясните особенности процессов смесеобразования в

дизелях с разделенными камерами сгорания.

11. Объясните особенности протекания процессов:

 воспламенения топлива в дизелях;

 сгорания топлива в дизелях;

 расширения продуктов сгорания.

12. Какие параметры и показатели характеризуют процесс

сгорания в дизелях?

13. Как приближенно определяются основные параметры

процессов сгорания и расширения в дизелях?

14. Объясните цель и задачи уточненного расчета процессов

сгорания и расширения в дизелях.

15. Объясните назначение блок-схемы математического мо-

делирования процессов сжатия, сгорания и расширения в дизе-

лях.

419

Список литературы к главе 11

1. Гюльднер Г. Двигатели внутреннего сгорания. Т.2 / Пере-

вод с немецкого Калиша Г.Г. и Алексеева С.И. – М.: МАКИЗ,

1928. – 864 с.

2. Брилинг Н.Р., Вихерт М.М., Гутерман И.И. Быстроходные

дизели. – М.: Машгиз, 1951. – 520 с.

3. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных ди-

зелей. Справочник – Л.: Машиностроение, 1990. – 349 с.

4. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двига-

телях. – М.: Машиностроение, 1977. – 277 с.

5. Беттгер И.И. Анализ бесшумного горения в дизелях // Тру-

ды лаборатории двигателей АН СССР «Сгорание и смесеобразо-

вание в дизелях». – М.: АН СССР, 1960. – С. 18–31.

6. Дьяченко В.Г., Сандомирский М.Г. Двухфазная подача

топлива с независимым регулированием момента и количества

топлива, подаваемого в каждой из фаз // Респ. межвед. научно-

техн. сб. «Двигатели внутреннего сгорания». – Харьков: ХГУ,

1966. – № 3. – С. 3–8.

7. Глаголев Н.М. Способы повышения КПД тепловозных

двигателей. Индикаторный КПД // Труды ХПИ «Тепловозные и

судовые двигатели». – Харьков: ХГУ, 1961. – Т. XXXII. – С. 5–24.

8. Дьяченко В.Г. Резервы улучшения экономичности двига-

теля с высоким газотурбинным наддувом при понижении его

быстроходности // Труды ХПИ: Серия «Энергомашиностроение».

– Харьков: ХГУ, 1963. – Вып. 3.– Т. XLIII. – С. 114–125.

9. Методические указания к курсовой работе «Расчет рабо-

чих процессов в двигателях внутреннего сгорания» по дисципли-

не «Теория двигателей внутреннего сгорания» / Дьяченко В.Г. –

Харьков: ХНАДУ, 2001. – 36 с.

420

Глава 12

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§1. Индикаторные показатели

Источниками определения индикаторных показателей дви-

гателя являются индикаторная диаграмма (расчетная или экспе-

риментальная) и цикловая подача топлива. При эксперименталь-

ных исследованиях цикловая подача определяется прямыми из-

мерениями, а при моделировании рабочих процессов – по вели-

чине свежего заряда надпоршневой полости и коэффициенту из-

бытка воздуха. Основными индикаторными показателями явля-

ются индикаторная работа газов за цикл, индикаторная мощ-

ность, индикаторный коэффициент полезного действия, удель-

ный индикаторный расход топлива.

Индикаторная работа газов за цикл по индикаторным диа-

граммам определяется как разность работы расширения L

и ра-

боты сжатия L

сж

= L

– L

сж

. (12.1)

По экспериментальным индикаторным диаграммам работа рас-

ширения и сжатия определяется обычно как сумма элементарных

работ, соответствующих углу поворота кривошипа в пределах

5–10 ПКВ. Индикаторная работа газов за цикл (в Дж) по расчет-

ным индикаторным диаграммам определяется по параметрам ра-

бочего тела в узловых точках диаграммы:

 двигатель с искровым зажиганием (индикаторная диа-

грамма представлена на рис. 10.15):

 





















112

aacc

bbzz

VpVp

L ; (12.2)

 двигатель с воспламенением от сжатия (индикаторная

диаграмма представлена на рис. 11.17):

 

















aacc

bbzz

czzi

VpVp

VVpL ; (12.3)

421

Здесь n

и n

– средние значения показателей политропы сжатия

и расширения, соответствующие параметрам рабочего тела в точ-

ках V, c, z и e расчетных индикаторных диаграмм (рис. 10.15,

11.17):

 , (12.4)

 . (12.5)

Значения параметров в условных точках a и b расчетных ин-

дикаторных диаграмм определяются в предположении, что по-

литропы сжатия V-c и расширения z-e продолжены до НМТ, то

есть

VpVp  ; (12.6)

VpVp  ; (12.7)

или

сa

pp  ; (12.8)

pp  . (12.9)

Вследствие приближенного представления на расчетных

индикаторных диаграммах процессов в надпоршневой полости

индикаторная работа газов, определенная по этим диаграммам,

отличается от экспериментальных данных. Это отличие учитыва-

ется коэффициентом полноты диаграммы  = 0,95–0,98.

Если индикаторную работу газов за цикл определять через

параметры расчетных индикаторных диаграмм, то в случае дви-

гателя с искровым зажиганием

 





































1























1

; (12.10)

в случае дизеля

422

 



































1























1

. (12.11)

Определив индикаторную работу газов за цикл, вычисляем:

 удельную индикаторную работу (Дж/м

Дж/см

)

и среднее

индикаторное давление (Па, МПа)

hiii

VLpl  ; (12.12)

 индикаторную мощность (кВт)

LкN



; (12.13)

 индикаторный КПД

нчнц

3600



; (12.14)

 удельный индикаторный расход топлива (кг/(кВтч))

 . (12.15)

Здесь, как и ранее (глава 1), к – число рабочих циклов за 1 с; В

–

цикловая подача топлива; Q

– низшая теплота сгорания топлива;

– часовой расход топлива.

Индикаторные показатели двигателей зависят от тактности,

способа смесеобразования и воспламенения, наддува, вида топ-

лива, условий окружающей среды и изменяются в широких пре-

делах (табл. 12.1). Использование наддува позволяет в несколько

раз повысить удельную индикаторную работу l

и среднее инди-

каторное давление р

. Индикаторный КПД при этом изменяется

значительно меньше.

При использовании газообразного топлива (природного га-

за, сжиженного газа, биогаза) удельный индикаторный расход

топлива оценивается в нм

/(кВтч). Удельная индикаторная рабо-

та (среднее индикаторное давление), индикаторная мощность

при переводе двигателя на газообразное топливо снижается на

423

10–20 % вследствие увеличения объемной доли газообразного

топлива в смеси газа и воздуха.

Таблица 12.1 – Индикаторные показатели различных

двигателей, работающих на топливах из нефти

Тип двигателя

Показатели

Дж/см

МПа



кг/(кВтч)

Двигатели с искро-

вым зажиганием:



без наддува

0,7–1,2 0,7–1,2 0,30–0,40 0,205–0,270



с наддувом

1,2–1,8 1,2–1,8 0,35–0,40 0,205–0,235

Дизели:



без наддува

0,6–0,9 0,6–0,9 0,45–0,50 0,170–0,190



с наддувом

1,2–2,5 1,2–2,5 0,45–0,55 0,170–0,190

Влияние различных факторов на индикаторную работу газов

за цикл может быть оценено по зависимости (12.14):

 в случае двигателя с внешним смесеобразованием и

искровым зажиганием

hss

QBL 









т0

; (12.16)

 в случае двигателя с внутренним смесеобразованием, на-

пример, дизеля

hss

QBL 









. (12.17)

Таким образом, определяющими факторами по влиянию на

индикаторную работу газов за цикл являются:

 коэффициент наполнения 

, характеризующий степень

совершенства процессов газообмена;

 плотность воздуха (топливовоздушной смеси) 

перед

впускными клапанами, зависящая в двигателях с наддувом от

давления наддува р

и температуры воздуха после воздухоохла-

дителя Т

;

424

 рабочий объем цилиндра (диаметр цилиндра D и ход

поршня S);

 коэффициент избытка воздуха ;

 низшая теплота сгорания топлива Q

;

 индикаторный КПД, характеризующий степень совер-

шенства процессов смесеобразования и сгорания.

Оказывают некоторое влияние на индикаторную работу га-

зов за цикл и характеристики топлива (Q

, М

, 

Индикаторный КПД двигателя в свою очередь также зави-

сит от ряда других факторов:

 КПД термодинамического цикла 

, зависящего в общем

случае от отношения степени расширения рабочего тела 

к сте-

пени сжатия 

и степени повышения давления  (см. §2 главы 1);

 свойства рабочего тела (состава, теплоемкости), характе-

ризуемого относительным коэффициентом 

;

 полноты сгорания топлива и эффективности использова-

ния теплоты сгорания топлива, характеризуемой коэффициентом

эффективного выделения теплоты 

c-z

или относительным коэф-

фициентом 



;

 потерь теплоты от газов в стенки W

на участке расшире-

ния рабочего тела или относительным коэффициентом 

Неточности представления реальных процессов в надпорш-

невой полости в схематизированных циклах, в которых последо-

вательно учитываются свойства рабочего тела, полнота сгорания

и эффективность использования теплоты топлива, потери тепло-

ты от рабочего тела в стенки надпоршевой полости, учитываются

относительным коэффициентом полноты расчетной индикатор-

ной диаграммы 



=  = 0,95–0,98. Таким образом, индикатор-

ный КПД двигателя может быть представлен как произведение

термического КПД цикла на ряд относительных коэффициентов

(относительных КПД):



= 









. (12.18)

Значения относительных КПД определяют путем последо-

вательного перехода сначала от термодинамического цикла с

идеальным рабочим телом (с

= const) к циклу с реальным рабо-

чим телом (с

= f(t), 

c-z

= 1, W

= 0), затем без теплообмена со

425

стенками надпорш-

невой полости (с

= f(t), 

c-z

< 1, W

= 0)

и, наконец, к дейст-

вительному циклу

(с

= f(t), 

c-z

< 1,

> 0). Примеры

последовательного

перехода от термо-

динамического цик-

ла к действительно-

му для двигателя с

искровым зажигани-

ем и различных че-

тырехтактных дизе-

лей представлены на

рис. 12.1, 12.2 и

12.3.

Как в двига-

теле с искровым

зажиганием и

внешним смесеоб-

разованием так и в

дизелях отличие

свойств реального

рабочего тела от

идеального газа

снижает КПД цик-

ла на 11–16 %.

Неполнота сгора-

ния топлива (в

двигателе с искро-

вым зажиганием

  1) и смещение

подвода теплоты

сгорания топлива

от ВМТ на линию

Рисунок 12.2 – Влияние коэффициента избытка воздуха

на параметры и показатели действительного

цикла вихрекамерного дизеля СМД-14А:

z = 4; S/D = 140/120;  = 16,5; n = 1700 об/мин

0,3

0,40

0,44

0,56



0,4

0,52



1,5

2,0

2,5



1,5

2,0

2,5



р,

МПА



1,2

2,0









c-z



1,6

1,4

0,7

0,9



c-z











Рисунок 12.1 – Влияние степени сжатия на параметры

и показатели действительного цикла

карбюраторного двигателя ВАЗ-2103

(z = 4; S/D = 80/76, n = 3000 об/мин)

0,30

0,35

0,25

0,40

0,45

0,50

0,55





7,5

8,5



0,7

0,5



з,



ПКВ















р,

МПА

0,8

1,0







=







426

расширения снижа-

ет эффективность

преобразования теп-

лоты в механичес-

кую работу газов,

КПД цикла умень-

шается еще на 13–

26 % (рис. 12.1). В

дизелях (  1)

влияние эффектив-

ности преобразова-

ния теплоты, подве-

денной к рабочему

телу, в механичес-

кую работу газов на

КПД цикла состав-

ляет 6–14 %, и чем

выше , тем меньше

это влияние (рис.

12.2, 12.3). Потери

части подведенной

теплоты к рабочему

телу в стенки над-

поршневой полости

снижает КПД цикла в двигателе с искровым зажиганием на 15–

23, в дизеле – на 5–15 % (рис. 12.1, 12.2). Использование высоко-

го наддува оказывает незначительное влияние на соотношение

влияния этих факторов на КПД действительного цикла.

Возможности влияния на свойства рабочего тела, теплооб-

мен между рабочим телом и стенками надпоршневой полости

крайне ограничены. Поэтому основные резервы повышения КПД

действительного цикла (индикаторного КПД) будут предопреде-

ляться возможностью повышения КПД термодинамического

цикла, например, использованием в двигателях с искровым зажи-

ганием цикла с продолженным расширением (

 10, 

> 15) и

совершенствованием процессов смесеобразования и сгорания.

Рисунок 12.3 – Влияние частоты вращения

коленчатого вала на параметры и

показатели действительного цикла

дизеля Д-70 при р

= const и N

= const

(16ЧН 24/27,  = 13, N

= 2200 кВт)

800

900

n, об/мин

800

900

n, об/мин



р,

МПА



1,3

1,5

МПА

0,4

0,44

0,56



0,4

0,52

0,50











c-z







=









c-z

0,75

0,85



1,2

1,4



1,5

2,5



427

§2. Механические потери

Индикаторная работа газов за цикл или за 1 с (индикаторная

мощность) не могут быть полностью использованы на выходном

валу для выполнения полезной работы (для привода различных

устройств, агрегатированных с двигателем, перемещения транс-

портных средств и т.п.). Часть индикаторной работы газов необ-

ходимо затратить на собственные нужды двигателя:

 на преодоление сил трения в подвижных сопряжениях

двигателя – L

тр

;

 на привод вспомогательных агрегатов – L

всп

(водяного на-

соса, масляного насоса, топливного насоса, механизма газорас-

пределения, генератора и т.п.);

 на преодоление аэродинамического сопротивления воз-

духа вращению или перемещению деталей двигателя – L

аэр

(ко-

ленчатого вала, маховика. шатунов и т.д.);

 на осуществление в четырехтактном двигателе процессов

газообмена – L

н.п

(насосные потери – потери на удаление из над-

поршневой полости продуктов сгорания и создание в ней разре-

жения для ее заполнения свежим зарядом);

 на привод нагнетателя – L

(в двигателе с механическим

приводом нагнетателя).

Как и индикаторную работу газов за цикл, составляющие потерь

индикаторной работы на собственные нужды за цикл следует

представлять в Джоулях.

Сумму потерь индикаторной работы газов за цикл на пре-

одоление трения в подвижных сопряжениях, привод вспомога-

тельных агрегатов, преодоление аэродинамического сопротивле-

ния вращению или перемещению деталей двигателя принято на-

зывать механическими потерями в двигателе за цикл:

тр

+ L

всп

+ L

аэр

= L

мд

. (12.19)

В суммарных механических потерях индикаторной работы газов

за цикл (без насосных потерь) на долю потерь в поршневой груп-

пе (поршень – цилиндр, поршневые кольца – цилиндр) приходит-

ся 60–70 %, на трение в подшипниках – 1–5 %, на привод