4.4. Литровая мощность

Литровая мощность определяет эффективность использования рабочего объема цилиндра и показывает, какую мощность можно получить от одного литра рабочего объема данного двигателя, т. е. определяет степень форсированности двигателя

(4.18)

Из уравнения (4.18) видно, что литровая мощность может быть увеличена при повышении среднего эффективного давления и частоты вращения коленчатого вала.

Двигатели, имеющие высокие значения N_л, называют форсированными.

В современных бензиновых и газовых двигателях частота вращения коленчатого вала достигает 6500 мин^-1 и выше.

Дизели грузовых автомобилей имеют номинальную частоту вращения не превышающую 2600 мин^-1, дизели легковых автомобилей – 4500-5500 мин^-1.

Литровая мощность дизелей грузовых автомобилей 12—15 кВт/л, бензиновых двигателей — 20—50 кВт/л, дизелей легковых автомоби­лей – до 20 кВт/л.

Переход на двухтактный цикл согласно уравнению (4.18) предполагает увеличение литровой мощности в 2 раза. Однако реально N_л увеличится только в 1,5—1,7 раза, так как часть рабочего объема в двухтактных дизелях используется на процессы газообмена, и существуют механические потери на привод нагнетателя.

Кроме того, из-за частой смены рабочего тела в двухтактных ДВС растет тепловая напряженность цилиндропоршневой группы. Это же является причиной ограничений в повышении литровой мощности за счет увеличения среднего эффективного давления.

В табл. 4.2 приведены эффективные показатели ДВС на номинальном режиме работы.

Таблица 4.2. Значения эффективных показателей ДВС

Двигатели	ηм	ηe	gi, г/(кВт•ч)	pe, МПа	Nл, кВт/л
Четырехтактные с искровым зажиганием без наддува	0,75-0,85	0,25-0,35	327-234	0,75-0,85	20-50
Четырехтактные дизели: без наддува с наддувом	0,7-0,8 0,78-0,88	0,36-0,42 0,38-0,45	235-202 223-188	0,65-0,8 До 2	12-20 16-28
Двухтактные дизели	0,7-0,85	0,33-0,38	257-223	0,5-0,75	15-35

4.5. Способы повышения мощности двигателя

Чтобы увеличить среднее эффективное давление, необходимо в цилиндр за цикл подать большее количество топлива, а для полного его сгорания — большее количество воздуха. Это реализуется путем увеличения количества свежего заряда, нагнетаемого в цилиндр под давлением. Данный способ называется наддувом двигателя. При этом среднее эффективное давление увеличивается практически пропорционально увеличению плотности свежего заряда.

На рис. 4.4 показан наддув с механическим приводом от коленчатого вала, а на рис. 4.5 — турбонаддув, где для привода центробежного компрессора 1 используется энергия отработавших газов (ОГ), которая реализуется в турбине 2, конструктивно объединенной с компрессором в единый агрегат, который называется турбокомпрессором.

По величине создаваемого давления на входе в цилиндр различают наддув низкий (до 0,15 МПа), средний (0,15—0,2 МПа) и высокий (более 0,2 МПа). При этом эффективная мощность двигателя увеличивается на 20—30, 40—50 и более 50 % соответственно.

Рис. 4.4. Наддув с механическим приводом

Рис. 4.5. Турбонаддув: 1 — компрессор; 2 — турбина

Применение наддува в двигателях с искровым зажиганием осложняется возникновением детонационного сгорания и более высокой тепловой напряженностью лопаток турбины.

Если формулу (4.12) представить в развернутом виде, то получим

(4.19)

где k=1/10⁶•60 — постоянная величина, учитывающая тепловой эквивалент работы и коэффициент перевода единиц измерения.

Анализируя данное уравнение, можно определить и другие способы увеличения мощности двигателя:

• увеличение рабочего объема V_h двигателя является наиболее простым способом повышения мощности. При этом происходит практически пропорциональное изменение массы заряда поступающего в цилиндры, что соответственно влияет на увеличение эффективной мощности.

Рабочий объем может быть увеличен как путем увеличения габаритных размеров цилиндров, так и повышением их числа. Несмотря на то, что увеличение габаритных размеров имеет свои преимущества, этот способ имеет такой существенный недостаток, как пропорциональный рост массы шатунно-поршневой группы, что увеличивает силы инерции деталей и снижает максимальную частоту вращения коленчатого вала;

• увеличение плотности воздуха ρ можно получить с помощью наддува;

• рост коэффициента наполнения η_v может быть обеспечен путем создания более совершенных конструкций впускных трубопроводов и увеличения числа впускных клапанов, а также переводом бензиновых двигателей с карбюраторной системы питания к системе впрыска;

• конструктивное совершенствование двигателей для увеличения η_м. Так, используя новые материалы, можно снизить механические потери на трение, а совершенствование газораспределительного и других механизмов обеспечивает снижение насосных потерь и потерь на привод вспомогательных узлов;

• повышение индикаторного КПД η_i, которое зависит от различных факторов, рассматривалось в подразделе 4.2.3;

• согласно формуле (4.12) увеличение частоты вращения коленчатого вала п должно привести к пропорциональному росту N_e. Однако увеличение быстроходности вызывает рост газодинамического сопротивления при впуске свежего заряда, в результате чего понижается коэффициент наполнения. Кроме этого возрастают механические потери, тепловая и механическая напряженность деталей. Поэтому повышение быстроходности двигателя должно сопровождаться соответствующими конструктивными решениями, снижающими отрицательные последствия увеличения значений п;

• использование обедненных горючих смесей приводит к плохой их воспламеняемости от электрического разряда, а применение электрофакельного зажигания существенно усложняет конструкцию двигателя, в частности газораспределительного механизма.

Эффективным способом увеличения мощности двигателя является улучшение смесеобразования, особенно в дизелях. Перспективным в этом направлении остаются создание топливной аппаратуры, обеспечивающей высокое качество распыления, и интенсификация турбулизации заряда в цилиндрах двигателя и камере сгорания. Подробнее способы смесеобразования описаны в главе 8.

21