Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

438

вой турбиной –

рис. 12.5 [3].

Дальнейшее по-

вышение степе-

ни использова-

ния теплоты

топлива дости-

гается утилиза-

цией теплоты

отработавших

газов, теплоты,

отводимой в

систему охлаж-

дения двигате-

ля.

Примерное

распределение

тепловых пото-

ков по внешне-

му контуру в

двигателях раз-

личных типов и

назначения на режимах номинальной мощности представлено в

табл. 12.4.

Таблица 12.4 – Составляющие внешнего теплового баланса

в двигателях различных типов

Тип

двигателя

Составляющие теплового баланса

охл

ог

ост

Двигатели

с искровым

зажиганием

0,20–0,30

– – 0,25–0,40

0,08–0,30

Дизели:



без наддува

0,30–0,40

0,20–0,30

0,03–0,05

– 0,20–0,35

0,04–0,10



с высоким

наддувом

0,45–0,50

0,15–0,20

0,03–0,05

0,04–0,06

0,15–0,30

0,04–0,06



1,5

2,0

2,5

ост

о.г

= 



0,79

0,83

,МПа

о.г

,С



0,44

0,48

,Дж/см

0,5

0,7

0,9



0,45

0,65



,Дж/см

0,2



1,5

2,0

2,5

мг/цикл

Рисунок 12.7 – Влияние коэффициента избытка воз

духа

на показатели рабочих процессов и составляющие

теплового баланса дизеля СМД-14Н (z = 4;

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

камера сгорания в поршне)

439

Возможности преобразования теплоты, отводимой в систе-

му охлаждения двигателя (q

= 0,15–0,30), в механическую работу

крайне ограничены и связаны со значительным усложнением

конструкции силовой установки. Более существенные резервы

повышения эффективного КПД двигателей внутреннего сгора-

ния, особенно двигателей с искровым зажиганием, представляют

потери теплоты с отработавшими газами (q

ог

= 0,20–0,40). Наибо-

лее реальный путь снижения потерь теплоты с отработавшими

газами без существенного усложнения конструкции двигателя –

использование цикла с продолженным расширением (степень

расширения продуктов сгорания в 2–2,5 раза больше действи-

тельной степени сжатия). В этом случае потери теплоты с отра-

ботавшими газами могут быть снижены на 40–50 %. Несколько

снизятся при этом и потери теплоты в стенки вследствие сниже-

ния средней температуры цикла.

Контрольные вопросы

1. Какие параметры характеризуют действительный цикл

двигателя?

2. Какие факторы определяют индикаторную работу газов

за цикл?

3. Что характеризует индикаторный КПД двигателя?

4. Как влияют свойства реального рабочего тела на преоб-

разование теплоты топлива в механическую работу?

5. Как влияют процессы сгорания и теплообмена на индика-

торный КПД?

6. Обоснуйте пути повышения индикаторного КПД двига-

теля.

7. Как определяется индикаторная мощность двигателя?

8. Какие составляющие определяют механические потери в

двигателе?

9. Как определяются составляющие механических потерь?

10. Как определяется эффективная работа газов на валу дви-

гателя (за цикл, за 1 с)?

11. Объясните отличие понятий удельная эффективная рабо-

та газов на валу двигателя и среднее эффективное давление.

440

12. Как определяются:

 эффективная мощность двигателя;

 механический КПД двигателя;

 эффективный КПД и удельный эффективный расход

топлива;

 уровень значений среднего эффективного давления и

эффективного КПД в двигателях различных типов.

13. Обоснуйте:

 пути повышения эффективного КПД двигателей с иск-

ровым зажиганием;

 пути повышения эффективного КПД дизелей.

14. Какие факторы определяют эффективную мощность дви-

гателя?

15. Как определяются составляющие теплового баланса по

внутреннему контуру (поверхности стенок надпоршневой полос-

ти) и по внешнему контуру (поверхность объема, в котором на-

ходится двигатель со всеми агрегатами)?

16. Какие факторы влияют на изменение составляющих теп-

лового баланса по внешнему контуру?

Список литературы к главе 12

1. Сахаревич В.Д. Влияние отношения хода поршня к диа-

метру цилиндра на основные показатели тракторного дизеля: Ав-

тореф. канд. дисс. –Харьков: ХИМЭСХ, 1971. – 21 с.

2. Коржов М.А. Исследование и выбор основных парамет-

ров двигателей легковых автомобилей: Автореф. канд. дисс. –

Харьков: ХИИТ, 1978. – 21 с.

3. Дьяченко В.Г. Влияние числа оборотов на основные по-

казатели комбинированного двигателя: Автореф. канд. дисс. –

Харьков: ХПИ, 1963. – 20 с.

441

Глава 13

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§1. Режимы работы

Двигатели внутреннего сгорания используются в различных

силовых установках с различным характером изменения внешней

нагрузки, параметров и показателей рабочих процессов. Режимы

работы двигателя характеризуются совокупностью значений па-

раметров и показателей рабочих процессов. Условно они могут

быть разделены на установившиеся (значения параметров и пока-

зателей неизменны) и неустановившиеся (если с течением време-

ни изменяется хотя бы один из параметров рабочих процессов).

Совокупность режимов работы с определенной закономер-

ностью изменения параметров и показателей рабочих процессов

называется характеристикой двигателя. Характеристики ДВС

можно разделить на 3 группы:

 регулировочные (изменение параметров и показателей

рабочих процессов определяется изменением, при прочих равных

условиях, регулировочного параметра);

 эксплуатационные (изменение параметров и показателей

рабочих процессов определяется особенностями нагружения дви-

гателя в реальных условиях эксплуатации);

 специальные (изменение параметров и показателей рабо-

чих процессов определяется особыми условиями нагружения

двигателя, например, условиями нагружения, соответствующими

режимам ездового цикла, холостого хода и т.п.).

§2. Регулировочные характеристики

Регулировочные характеристики снимаются обычно в усло-

виях стендовых испытаний с целью определения оптимального

значения регулировочного параметра для конкретного режима

работы двигателя. В качестве критерия выбора оптимального

значения регулировочного параметра принимается один или не-

442

сколько важнейших показателей рабочих процессов – удельный

эффективный расход топлива, мощность, дымность, выбросы ок-

сидов азота и т.п. Рассмотрим несколько регулировочных харак-

теристик ДВС – регулировочные характеристики по углу опере-

жения подачи топлива, по углу опережения зажигания и по со-

ставу смеси.

Регулировочная характеристика дизеля по углу опере-

жения подачи топлива. При снятии регулировочной характери-

стики по углу опережения подачи топлива 

частота вращения

коленчатого вала n, цикловая подача топлива В

, часовой расход

топлива В

, параметры воздуха на впуске, тепловой режим дизеля

поддерживаются на каждом из значений 

неизменными. Угол

опережения подачи топлива регистрируется по углу начала подъ-

ема иглы распылителя (моменту отрыва запорного конуса иглы

распылителя от седла распылителя). С изменением угла опереже-

ния подачи топлива закон подачи топлива  (отношение коли-

чества топлива В



, поступившего в цилиндр к определенному уг-

лу поворота кривошипа, к цикловой подаче В

) практически не

изменяется (рис. 13.1, в).

Закон сгорания х (отношение количества теплоты, подве-

денной к рабочему телу Q



к определенному углу поворота кри-

вошипа, к теплоте, эквивалентной химической энергии топлива,

поступившего в цилиндр за цикл) также изменяется незначитель-

но. Поэтому при значениях угла опережения подачи топлива,

меньших оптимального (

п

 

), процесс сгорания смещается

на такте расширения от ВМТ (рис. 13.1, а и 13.1, в), эффектив-

ность использования теплоты, подведенной к рабочему телу,

снижается, индикаторная работа газов, а соответственно и мощ-

ность двигателя уменьшаются, удельный эффективный расход

топлива возрастает (рис. 13.1, б). При углах опережения подачи

топлива 

п

 

эффективная мощность также уменьшается, а

удельный эффективный расход топлива (рис. 13.1, б) возрастает.

В данном случае уменьшение индикаторной работы и эффектив-

ной мощности дизеля обусловлено увеличением давления в над-

поршневой полости до ВМТ (рис. 13.1, а), а соответственно и ра-

боты сжатия.

443

Оптимальному углу опережения подачи топлива 

п(опт)

(по

максимальной мощности или минимальному удельному эффек-

тивному расходу топлива – рис. 13.1, б) соответствует угол опе-

режения воспламенения 3–10 град. поворота коленчатого вала

(ПКВ) до ВМТ (рис. 13.1, а), значения которого практически не

зависят от частоты вращения коленчатого вала n. Однако опти-

мальный угол опережения подачи топлива с увеличением часто-

ты вращения коленчатого вала возрастает, так как возрастает в

градусах поворота коленчатого вала период задержки воспламе-

нения 



. При неизменной частоте вращения коленчатого вала на-

грузка (величина цикловой подачи) практически не влияет на оп-

тимальное значение угла опережения подачи топлива.

Рисунок 13.1 – Изменение параметров и показателей рабочих про

цессов

дизеля в зависимости от угла опережения подачи топлива:

(б)

< n

(а)

< n

(в)

;





– угол опережения начала подачи топлива;

 = В



/В

– закон подачи топлива; х = Q



/В

– закон сгорания;



в

– угол запаздывания начала воспламенения;





– период задержки воспламенения топлива



)(бe

)(аe

)(вe



)(бe

)(аe

)(вe







=1,





ОКВ

ВМТ





КВ

 





оптп



 





оптп



 





оптп







ОКВ









в

444

В автотракторных дизелях с гидромеханической системой

подачи топлива для корректировки угла опережения подачи топ-

лива используются центробежные муфты опережения подачи

топлива, а в случае аккумуляторных систем впрыска высокого

давления с электронными системами управления – микропроцес-

сор со специальной программой корректировки 

по частоте

вращения коленчатого вала. Диапазон изменения оптимального

угла опережения подачи топлива зависит от особенностей орга-

низации рабочих процессов и конструкции дизеля, системы топ-

ливоподачи, условий эксплуатации и составляют 10–40 ПКВ.

Регулировочная характеристика ДВС с искровым зажи-

ганием по углу опережения зажигания. При снятии регулиро-

вочной характеристики по углу опережения зажигания 

часто-

та вращения коленчатого вала n, положение дроссельной заслон-

ки (разрежение за дроссельной заслонкой), состав смеси, тепло-

вой режим двигателя поддерживаются на каждом из значений 

неизменными. С изменением угла опережения 

изменяется и

угол опережения начала видимого сгорания (рис. 13.2, а). Закон

сгорания х при этом изменяется незначительно, так как при со-

хранении частоты вращения коленчатого вала n, разрежения за

дроссельной заслонкой и состава смеси, время стабилизации оча-

га сгорания у электродов свечи зажигания и скорость распрост-

ранения фронта пламени сохраняются практически без измене-

ний. Поэтому изменение давления в надпоршневой полости по

углу поворота кривошипа, эффективной мощности, удельного

эффективного расхода топлива в зависимости от угла опережения

зажигания (рис. 13.2, а; рис. 13.2, б) определяется теми же факто-

рами, что и при изменении угла опережения подачи топлива в ди-

зеле (рис. 13.1, а; рис. 13.1, б).

Оптимальному углу опережения зажигания (по максималь-

ной мощности или минимальному удельному эффективному рас-

ходу топлива) соответствует угол опережения начала видимого

сгорания 3–10 ПКВ до ВМТ (рис. 13.2, а; рис. 13.2, в). С увели-

чением частоты вращения коленчатого вала 

з (опт)

возрастает

(рис. 13.2, б), так как возрастает в градусах ПКВ период стабили-

зации очага сгорания 



(угол поворота кривошипа от момента

электрического разряда на электродах свечи зажигания (точка з)

445

до момента начала видимого сгорания (точка в). При увеличении

разрежения за дроссельной заслонкой при неизменной частоте

вращения коленчатого вала 

з(опт)

также будет возрастать, так

будет возрастать количество остаточных газов в смеси, время

стабилизации очага сгорания 

в

, продолжительность сгорания

(скорость распространения фронта пламени с увеличением коли-

чества остаточных газов уменьшается).

В карбюраторных ДВС с традиционной системой зажигания

для корректировки угла опережения зажигания в зависимости от

частоты вращения коленчатого вала и разрежения за дроссельной

заслонкой предусмотрены центробежный регулятор и вакуум-

корректор. В ДВС с электронной системой впрыска и электрон-

ной системой управления корректировка угла опережения зажи-

гания осуществляется по частоте вращения коленчатого вала,

разрежению за дроссельной заслонкой, началу детонации и дру-

гим параметрам. Диапазон корректировки 

з(опт)

может достигать

Рисунок 13.2 – Изменение параметров и показателей рабочих процессов

двигателя с искровым зажиганием в зависимости

от угла опережения зажигания:

(б)

< n

(а)

< n

(в)

)(бe

)(аe

 

вe

)(вe

)(аe

)(бe

 





оптз



 





оптз



 





оптз



,ПКВ

,ОКВ

з

з

в







ВМТ

,ОКВ





з

з



в

z

z



в

446

5–30 ПКВ в зависимости от особенностей организации рабочих

процессов и конструкции двигателя, системы впрыска, условий

эксплуатации.

Регулировочная характеристика ДВС с искровым зажи-

ганием по составу смеси. В традиционных карбюраторных ДВС

мощность, экономичность, уровень выбросов токсичных компо-

нентов с отработавшими газами на каждом из режимов работы в

значительной степени определяются составом смеси. Регулиро-

вочная характеристика для конкретного режима работы двигате-

ля, например для режима номинальной мощности, определяется

при неизменных частоте вращения коленчатого вала, положении

дроссельной заслонки (количества поступающего в цилиндр воз-

духа) и тепловом режиме работы двигателя. Состав смеси изме-

няется путем изменения площади проходного сечения канала

главного топливного жиклера или с помощью регулировочной

иглы. С увеличением площади проходного сечения канала глав-

ного топливного жиклера увеличивается количество топлива, по-

ступающего по каналам к диффузору карбюратора, топливовоз-

душная смесь обогащается, мощность двигателя возрастает

(рис. 13.3). Максимального значения мощность двигателя дости-

гает при соотношении топливо/воздух 1/12,5 (  0,85–0,9). Уве-

личение мощности двигателя

при обогащении топливовоз-

душной смеси обусловлено

увеличением химического ко-

эффициента молекулярного

изменения рабочего тела (уве-

личением объема рабочего тела

в результате химических реак-

ций окисления углеводородов

топлива) и увеличением скоро-

сти распространения фронта

пламени. Однако при этом

вследствие роста неполноты

сгорания топлива удельный

эффективный расход топлива

возрастает. Минимальному

Рисунок 13.3 – Регулировочная

характеристика по составу

смеси (двигатель ВАЗ-2103:

S/D = 80/76; zV

= 1,45 л;

 = 8,5; n = 5000 мин

–1

)

кВт





чкВткг 



0,36

0,28

0,8

1,2

1,0

447

удельному эффективному расходу топлива соответствует не-

значительное обеднение смеси ( = 1,05–1,10). При дальнейшем

обеднении топливовоздушной смеси снижается скорость распро-

странения фронта пламени, эффективность использования тепло-

ты сгоревшего топлива. Поэтому возможны два варианта регули-

ровки карбюратора – мощностная ( = 0,85–0,9) и экономичная

( = 1,05–1,10). Мощностная регулировка необходима на режи-

мах повышенных значений крутящего момента (мощности), эко-

номичная – на режимах частичных нагрузок. На режимах холо-

стого хода для обеспечения устойчивой работы двигателя, ис-

ключения пропусков воспламенения топливовоздушной смеси,

карбюратор также должен обеспечивать обогащение топливовоз-

душной смеси ( = 0,8–0,9). Поддержание на эксплуатационных

режимах работы двигателя рационального состава смеси (соот-

ношение топливо – воздух) достигается путем использования в

конструкции карбюратора ряда систем корректировки состава

смеси (главные дозирующие системы, системы мощностных ре-

жимов, переходная система, система холостого хода, система

пуска и т.д.).

В ДВС с электронной системой впрыска топлива на впуске и

каталитическим нейтрализатором тройного действия необходи-

мый состав смеси поддерживается микропроцессором системы

управления по сигналам от нескольких датчиков (датчик разре-

жения за дроссельной заслонкой, датчик частоты вращения ко-

ленчатого вала, датчик скорости потока воздуха, датчик темпера-

туры охлаждающей жидкости, датчик контроля содержания кис-

лорода в отработавших газах). На подавляющей части эксплуата-

ционных режимов работы двигателя для обеспечения оптималь-

ных условий работы нейтрализатора отработавших газов микро-

процессор поддерживает состав топливовоздушной смеси с точ-

ностью до 0,5 % ( = 0,995–1,005).

§3. Эксплуатационные характеристики двигателей

Характер изменения режимов работы двигателя в реальных

условиях эксплуатации зависит от типа энергетической установ-

ки. Один и тот же двигатель возможно использовать в различных