16)Мощность механических потерь .Причины увеличения механических потерь при эксплуатации.

Мощность механических потерь

Мощность механических потерь Nм — это мощность, затрачиваемая на преодоление внутренних сопротивлений в самом двигателе, а также на привод компрессора или продувного насоса:

Nм=Nт+Nг + Nв.м + Nв + Nк,

где Nг, Nт, Nв.м, Nв, Nк — мощности, затрачиваемые соответственно на трение, газообмен, привод вспомогательных механизмов (топливного, водяного и масляного насосов, вентилятора, генератора и т.д.), перетекание заряда в дизелях с раздельными камерами сгорания, привод компрессора или продувочного насоса. Мощность, затрачиваемую на газообмен, Nr учитывают только для четырехтактных двигателей.

Под механическими потерями^* понимают потери на все виды механического трения, осуществление газообмена, привод вспомогательных механизмов (водяного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и пр.), вентиляционные потери, связанные с движением деталей двигателя при больших скоростях в среде воздушно-масляной эмульсии и воздуха, а также на привод компрессора. В дизелях с разделенными камерами сгорания к механическим потерям относят обычно также газодинамические потери на перетекание заряда между полостями камеры сгорания.

По аналогии с понятием р_i вводится понятие о среднем давлении механических потерь р_мп как об удельной работе механических потерь при осуществлении одного цикла, т. е. цикловой работе потерь, приходящейся на единицу рабочего объема цилиндра:

где р_тр — на трение; р_нх — на газообмен; р_всп.м — на привод вспомогательных механизмов; р_вент — на вентиляцию; р_пр.к — на привод компрессора.

Основная часть механических потерь — потери на трение р_тр (до 80%). Большая часть потерь на трение приходится на пары поршень — гильза, поршневые кольца — гильза (45...55% всех механических потерь). Потери на трение в подшипниках составляют до 20% от всех механических потерь.

Силы, нагружающие трущиеся пары,— силы инерции, газовые силы и силы упругости (колец, пружин). Для определения р_тр имеет существенное значение оценка средних по времени значений действующих на деталь усилий. Средние по времени значения модуля сил инерции обычно больше средних по времени газовых сил, особенно для четырехтактных двигателей, хотя максимальные значения газовых сил в 2...5 раз могут превышать максимальные значения сил инерции. По данным Н. Р. Брилинга, при средней скорости поршня с_п = 8 м/с потери на трение при действии сил инерции составляют 75% от р_тр. Большое влияние на потери от трения оказывают силы упругости поршневых колец, которые не зависят от режима работы двигателя. В течение короткого интервала времени действия наибольших газовых сил резко возрастает сила, с которой поршневые кольца, особенно верхнее, прижимаются к гильзе. Мала в этот период и скорость движения кольца. Это приводит к изменению режима трения и увеличенному износу гильзы в зоне, примерно соответствующей положению поршня в ВМТ. На р_тр существенное влияние оказывают следующие факторы:

• тепловой режим двигателя в связи с его влиянием на вязкость смазки, от которой существенно зависят силы жидкостного трения;

• частота вращения. Увеличение п приводит к росту сил инерции и относительной скорости перемещения деталей. Одновременно несколько возрастает температура и падает вязкость смазочного масла. Силы жидкостного трения увеличиваются в основном из-за повышения относительной скорости перемещения деталей; силы граничного трения — из-за роста нагрузок на трущиеся пары. В целом потери на трение существенно увеличиваются с ростом п.

Увеличение нагрузки ведет к росту газовых сил и повышению температуры деталей. Силы жидкостного трения при этом уменьшаются из-за снижения вязкости смазки, а силы граничного трения растут из-за увеличения газовых сил. Опыт свидетельствует о том, что потери на трение в дизеле сравнительно мало зависят от нагрузки.

При выполнении правил эксплуатации двигателя потери на трение вначале снижаются из-за приработки деталей, а затем стабилизируются.

Потери на газообмен р_нх связаны с неодинаковой величиной работы впуска и выпуска (см. рис. 3.1, а...г). Для анализа влияния различных факторов на р_нх можно использовать выражение  , где  и   — средние за процессы газообмена перепады давления во впускном и выпускном клапанах. Потери на газообмен могут быть обратного знака по отношению к остальным элементам внутренних потерь. При этом их только условно можно назвать потерями. Положительная работа газообмена имеет место при наддуве четырехтактного двигателя от компрессора, механически связанного с коленчатым валом, а также на отдельных режимах работы двигателя с газотурбинным наддувом, на которых среднее давление перед впускными органами р_к больше среднего давления за выпускными органами р_р.

Потери на газообмен тем больше, чем выше сопротивление впускной и выпускной систем и больше скорость движения газов. С ростом частоты вращения потери на газообмен во всех типах двигателей растут в результате уменьшения работы впуска и увеличения работы выталкивания. Связано это с увеличением перепадов давлений во впускной и выпускной системах (рис. 9.1, а). Среднее давление потерь на газообмен  , где А — постоянная;  т = 1,7...2,0^*. В двигателях с искровым зажиганием потери на газообмен возрастают при уменьшении нагрузки, так как при этом прикрывается дроссельная заслонка, увеличивается сопротивление впускной системы и снижается положительная работа впуска.

Рис. 9.1. Диаграммы насосных ходов дизеля без наддува при различных частотах вращения (а) и нагрузках (б)

Нередко наблюдается увеличение работы газообмена в дизеле при снижении нагрузки ниже определенного значения. Это связано с тем, что при малой нагрузке давление в цилиндре в момент начала открытия выпускного клапана мало, поэтому невозможно эффективное истечение отработавших газов в период свободного выпуска с соответствующим уменьшением их количества и давления. Меньшими оказываются и эжекционные эффекты в процессе выталкивания. В результате в конце процесса выталкивания давление в цилиндре начинает расти — наблюдается «поджатие» отработавших газов (рис. 4.6, б). Для дизелей без наддува и с наддувом от приводного компрессора потери на газообмен сравнительно мало изменяются в зависимости от нагрузки. В дизелях с газотурбинным наддувом потери на газообмен в зависимости от типа системы наддува, характеристик газотурбонагнетателей и их согласования с характеристиками двигателя, конструкции и размеров органов и фаз газообмена могут как увеличиваться, так и уменьшаться при увеличении нагрузки.

В высокооборотных двигателях с газотурбинным наддувом среднее давление потерь на газообмен велико и составляет значительную частьр_мп (25% и более). Связано это с тем, что при установке на выпуске газовой турбины большой оказывается работа выталкивания. Поэтому применительно к двигателям с газотурбинным наддувом развитие проходных сечений во впускных клапанах за счет выпускных не всегда целесообразно.

Вентиляционные потери малы, они зависят от частоты вращения и растут при ее увеличении: p_вент = A₁n², где А₁ — постоянная. Потери на привод вспомогательных механизмов также в основном зависят от частоты вращения, причем р_всп.м = А₂ n², где А₂ — постоянная. В первом приближении можно считать, что потери на привод вспомогательных механизмов не зависят от нагрузки. Обычно р_всп.м=(0,05...0,10)р_м.п.

Все составляющие р_м.п существенно возрастают при увеличении частоты вращения или пропорциональной ей средней скорости поршня с_п. Принято выражать среднее давление механических потерь в функции с_п, так как около 50% всех механических потерь составляет трение поршня и колец о гильзу, относительная скорость которых определяется не только частотой вращения, но и ходом поршня. Логична также функциональная связь p_нх =f(c_п), так как скорости газов во впускных и выпускных трактах, от которых зависят перепады давлений и потери на газообмен, определяются не частотой вращения, а скоростью поршня. Зависимость р_мп от нагрузки для двигателей без наддува невелика, и ею пренебрегают. Потери на трение изменяются пропорционально первой степени с_п, а потери на газообмен, вентиляционные потери и потери на привод вспомогательных механизмов — пропорционально второй степени с_п, поэтому зависимость р_мп для двигателя без наддува от скоростного режима в общем случае имеет вид

.

Так как наибольшую долю р_мп составляют потери на трение, зависящие от первой степени с_п, то нередко эмпирические зависимости p_мп=f(с_п) выражают в виде

(9.1)

Значения а, b зависят от типа, конструкции, размеров, количества цилиндров и теплового состояния двигателя. При увеличении количества цилиндров уменьшается количество подшипников, приходящихся на один цилиндр, снижаются р_вент и р_всп.м, a коэффициенты а и b имеют меньшие значения. В результате уменьшается р_мп.

Увеличение рабочего объема при сохранении отношения S/D приводит к снижению р_мп вследствие следующих причин:

• если количество и высота колец одинаковы, то силы давления газов, прижимающие кольца к гильзе, растут пропорционально D, а площадь поршня — пропорционально D² . Так как р_мп есть сила механических потерь, отнесенная к единице площади поршня, то она при этом снижается;

• уменьшаются удельные (отнесенные к площади поршня) значения сил инерции;

• уменьшается р_всп.м.

Если снижение потерь на газообмен с ростом p_к при наддуве от приводного компрессора превалирует над увеличением потерь на трение, их сумма уменьшается с повышением давления наддува. При этом, однако, растет среднее давление потерь на привод нагнетателя. При введении газотурбинного наддува р_мп обычно увеличивается из-за роста потерь на трение и газообмен.