2553

бой различных конструкций двигателей используют показатели литровой или поршневой мощности.

Литровой мощностью называют эффективную мощность, отнесенную к литру рабочего объема цилиндров.

.

Формула дает возможность установить влияние параметров рабочего тела на величину литровой мощности и наметить пути форсирования двигателя.

Значение литровой мощности лежит в пределах: а) для бензиновых двигателей Nл = 18-55 кВт/л; б) для дизельных двигателей Nл = 10-35 кВт/л.

Анализируя формулу литровой мощности двигателя, видим, что увеличение можно достигнуть за счет:

–отношения Hu – свойств топлива;

L0

–перехода на двухтактный процесс;

–повышения начального давления цикла (наддув);

–механического КПД;

–улучшения качества протекания рабочего процесса, оценивае-

мого отношением ηi ;

α

– количества свежего заряда (ηV );

– быстроходности двигателя, оцениваемой произведением

(ηV ηм n).

5.8. Тепловой баланс двигателя

Химическая энергия, выделенная при сгорании топлива, полностью не используется. В полезную работупревращаетсяоколо20–40%от располагаемой теплоты. Остальная часть либо уносится с отработав-

60

шими газами, либо с охлаждающей жидкостью, либо на другие потери.

Распределение располагаемой теплоты на полезную работу и другие виды тепловых потерь характеризуется внешним тепловым балансом.

Тепловой баланс составляется по данным испытаний при установившемся тепловом состоянии двигателя на номинальном скоростном и нагрузочном режимах. Тепловой баланс может быть снят для различных скоростных и нагрузочных режимов. При помощи теплового баланса можно установить степень совершенства использования тепловой энергии в двигателе и наметить пути устранения причин, понижающих экономичность двигателя. Статьи теплового баланса определяют или в МДж за 1 час или в процентах.

В общем виде уравнение теплового баланса имеет следующее выражение:

QQe Qм Qw Qог Qнc Qs.

1.Q – располагаемая теплота за 1 час работы двигателя

Q Hu Gm МДж/ч; Gm qeNe кг/ч. 1000

Hu 44 – бензин; Hu 42,5 – дизельное топливо. 2. Qe – теплота, эквивалентная полезной работе,

Qe 3,6Ne ; qe Qe 100/Q%.

qe = 20–30 % – для двигателей легкого топлива; qe = 27–43 % – для дизельных двигателей.

3. Qм – теплота, эквивалентная механическим потерям:

qм 5 7 % – для двигателей легкого топлива; qм 10 14 % – для дизельных двигателей.

4. Qw – теплота, передаваемая охлаждающей жидкости:

с = 0,3–0,4; m = 0,6–0,7.

61

5. Теплота, унесенная с отработавшими газами:

Qw GmL (mCp)r tr (mCp)oto МДж/ч,

1000

т.е. определяется как разность между теплотой, унесенной с отработавшими газами, и теплотой, внесенной свежим зарядом.

6. Теплота, потерянная за счет неполноты сгорания топлива при α<1

Qнс Gm Cco Hu ;

Cco 2,6(1 );

НиCO 10,25МДж;

Hи 33,9 10,26 23,64МДж;

Qнс Gm 2,6(1 ) 23,64 61,5(1 ) Gm.

Если значение Hи подсчитано при определении температуры Тz для двигателей легкого топлива, тогда Qнс Hu Gm .

qнс Qнс 100%; qнс 5 12% – в зависимости от значения α.

Q

7. Неучтенные потери.

Qs Q (Qe Qм Qw Qог Qнс).

qs Qs 100%; qs 3 5%.

Q

Неучтенные потери включают потери внешними поверхностями двигателя, теплоты соответствующей кинетической энергии отработавших газов и др.

4.9. Способы снижения тепловых потерь

Уменьшение тепловых потерь с охлаждающей жидкостью для повышения эффективного КПД возможно до определенных пределов, ограниченных теплостойкостью смазочных материалов и конструктивными особенностями двигателя. При повышении температуры охлаждающей жидкости на 10º уменьшается теплоотдача в охлаждающую жидкость на 4 %. Однако это приводит к увеличению тепловых

62

потерь с отработавшими газами. В конечном итоге повышение эффективного КПД будет незначительно. Если повысить температуру охлаждающей жидкости с 50 до 90º, то увеличение эффективной мощности составит 2,5–8%, а удельный расход топлива уменьшится на 2–5 %.

Таким образом, изменение какой-либо статьи в тепловом балансе сразу же приводит к перераспределению доли теплоты в остальных статьях теплового баланса.

Снижение тепловых потерь может быть достигнуто за счет утилизации теплоты, турбонаддува, повышения температурного режима двигателя, совершенствования процесса сгорания.

С охлаждающей жидкостью (температурный режим, форма ка-

меры сгорания, отношение Sn Dц , материал поршня, цилиндра, сте-

пень сжатия).

Сотработавшими газами (утилизация теплоты, применение наддува, повышение степени сжатия и т.д.)

Смеханическими потерями (свойств моторного масла, конструктивными особенностями двигателя, материал подшипников и т.д.) Неполное сгорание топлива может быть уменьшено за счет увеличения коэффициента избытка воздуха (рис. 22).

Рис. 22. Влияние некоторых факторов (n, , Ре) на тепловой баланс

63

4.10.Фазы горения в бензиновых двигателях

ВДВС к моменту проскакивания электрической искры рабочая смесь является однородной и по объему близка к объему камеры сжатия. Процесс сгорания происходит вблизи верхней мертвой точки, при незначительном изменении объема. Поэтому, изучать изменение

параметров рабочего тела удобно по диаграмме в координатах p f ( ) (рис. 23).

Рис. 23. Фазы горения в бензиновых двигателях

Если зажигание выключено, то изменение давления в цилиндре двигателя будет почти симметричным ( , ). Несимметричность будет иметь место за счет наличия теплообмена и утечки рабочего тела через неплотности. При воспламенении смеси электрической искрой происходит процесс сгорания топлива, которое можно разделить на три фазы.

1.Начальная фаза.

Вначальной фазе имеет место небольшой очаг горения, который впоследствии превращается в развитый фронт турбулентного горения. Продолжительность первой фазы условно можно принять от момента проскакивания электрической искры до момента отрыва линии сгорания от линии сжатия.

64

Первая фаза (начальная фаза) характеризуется образованием очага горения рабочей смеси без повышения температуры и давления в общем объеме рабочей смеси. При этом приращение давления составляет не более 1 %, что соответствует сгоранию, примерно, 1,5 % рабочей смеси. Объем, занимаемый продуктами сгорания к концу первой фазы, составляет около 5–6%.

Скорость сгорания, в этом периоде, в значительной степени определяется физико-химическими свойствами топлива. Излишняя турбулизация в зоне горения делает развитие очага в этой зоне неустойчивым и поэтому свечу зажигания помещают внебольшоеуглубление.

Угол поворота коленчатого вала в первой фазе составляет 5–7°. 1. Вторая фаза.

Во второй фазе имеет место быстрое распространение фронта пламени по основному объему камеры сгорания. Скорость распространения фронта пламени может достигать 50–60 м/с. С приближением фронта пламени к стенкам камеры сгорания скорость резко падает и дальше происходит медленное догорание рабочей смеси в пристеночных слоях.

Продолжительность второй фазы можно принять от точки отрыва линии сгорания от линии сжатия до момента достижения максимального давления цикла. Длительность второй фазы составляет 25–30° поворота коленчатого вала, а получение максимальной работы соответствует симметричному расположению линии сгорания во второй фазе относительно верхней мертвой точки. Максимальное давление цикла, как правило, наступает через 10–15° после верхней мертвой точки.

Вторая фаза оценивается степенью нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, называемой жесткостью работы двигателя. Жесткость работы двигателя выражается отношением dp/dα. Обычно степень нарастания давления характеризуют средней величиной, выраженной отношением р/ , где р p3 p2 ; α α3 α2.

При нормальном протекании рабочего процесса р =0,12–0,3

α

МПа/град. Для двигателя со степенью сжатия больше 9 жесткость работы может доходить до 0,4–0,5 МПа/град. Жесткость работы двигателя зависит не только от степени нарастания давления, но и от плавности перехода от линии сжатия к линии сгорания. Вторая фаза характеризуется наиболее активным тепловыделением. В точке 3, соответствующей Рmax, количествовыделеннойтеплотысоставляет70–80%.

65

Характер протекания второй фазы зависит от свойств топлива, состава рабочей смеси, расположения свечи, формы камеры сгорания, степени сжатия, степени турбулентности газового потока, нагрузки на двигатель и т.д.

1. Третья фаза – догорание топлива.

Третья фаза характеризуется догоранием топлива за фронтом пламени, в пристеночных слоях, в зазорах между поршнем и цилиндром и т.д.

За границу между второй и третьей фазами принимают точку максимального давления. К началу третьей фазы процесс тепловыделения еще не заканчивается, а поэтому температура рабочей смеси продолжает увеличиваться. Максимальная температура рабочей смеси имеет место через 10–15° градусов после максимального давления. К концу третьей фазы выделяется до 86–92 % активного тепла.

Третья фаза характеризуется неудовлетворительными условиями сгорания топлива, т.к. к этому времени рабочая смесь сильно разбавлена отработавшими газами. Продолжительностьтретьейфазызависит:

а) от состава рабочей смеси; б) угла опережения зажигания;

в) степени завихрения рабочей смеси.

Продолжительность сгорания рабочей смеси можно определить по формуле

τα , τ= 0,001–0,002 с при n=3000 об/мин. 6n

4.11.Влияние различных факторов на процесс сгорания

вдвигателях с искровым зажиганием

1.Состав рабочей смеси.

Состав рабочей смеси оказывает влияние на скорость сгорания и количество тепла, выделенного при сгорании топлива. Минимальная продолжительность всех фаз достигается при α=0,8–0,9, при котором наблюдается наибольшая скорость и интенсивность тепловыделения. При этом значении α достигается наибольшее значение мощности двигателя, а поэтому такой состав называют мощностным. Наибольшая экономичность при α=1,11 (α ‒ коэффициент избытка воздуха).

При α>0,9 возрастает продолжительность начальной фазы, а продолжительность основной фазы изменяется незначительно, хотя Pz уменьшается.

66

При обеднении смеси свыше некоторых пределов (α>1,2) уменьшается мощность двигателя и процесс сгорания становится неустойчивым.

2. Нагрузка на двигатель.

По мере уменьшения нагрузки уменьшается начальное и конечное значения сжатия, увеличивается степень разбавления свежей смеси отработавшими газами. Все это приводит к ухудшению воспламеняемости топлива, увеличению продолжительности первой фазы и к неустойчивому процессу сгорания в целом. Для компенсации в какойто степени этих недостатков производят обогащение смеси (α<0,8‒0,9), хотя и в этом случае не удается избежать растягивания процесса сгорания по времени.

Неудовлетворительный процесс сгорания на малых нагрузках и необходимость резкого обогащения рабочей смеси являются основным недостатком бензиновых двигателей, т.к. в этом случае увеличивается удельный расход топлива, резко увеличивается выброс в атмосферу продуктов неполноты сгорания (окиси углерода и других ядовитых веществ).

3. Степень сжатия.

Увеличение степени сжатия способствует увеличению давления и температуры в конце сжатия, уменьшению количества остаточных газов. Все это приводит к сокращению продолжительностипервойфазы.

Увеличение степени сжатия способствует увеличению скорости сгорания во второй фазе, но наряду с этим увеличивает отношение поверхности камеры сгорания к ее объему. Последнее приводит к увеличению количества рабочей смеси, сгорающей в пристеночных слоях, что способствует увеличению количества топлива, сгорающего в третьей фазе.

Все вместе взятое приводит к уменьшению продолжительности первой и второй фаз, к расположению максимального давления ближе к ВМТ, но к уменьшению χ до максимального давления. В целом, с увеличением степени сжатия, мощностные и экономические показатели работы двигателя улучшаются.

4.Частота вращения коленчатого вала.

Сувеличением частоты вращения увеличивается интенсивность вихреобразования, что способствует увеличению скорости сгорания в основной фазе. Это приводит к тому, что продолжительность основной фазы, выраженная в градусах поворота коленчатого вала, остается практически постоянной.

67

точки и, по возможности, ближе к наиболее нагретой зоне камеры сгорания для уменьшения склонности двигателя к детонации.

4.12.Основные нарушения процесса сгорания

вдвигателях легкого топлива

4.12.1. Детонация

Причиной возникновения детонации являются активные перекиси и активные центры, которые накапливаются в смеси, сгорающей в последнюю очередь.

Активные перекиси представляют собой промежуточные продукты окисления углеводородных молекул, образующихся в результате взаимодействия молекул топлива и кислорода. Увеличение количества активных перекисей и центров в смеси, сгорающей в последнюю очередь, объясняется резким увеличением давления и температуры.

Когда концентрация активных центров достигнет некоторого предела, то несгоревшая часть топлива воспламеняется с огромной скоростью, с одновременным резким и кратковременным повышением температуры и давления.

Вследствие этого появляется детонационная волна. Ее зарождение сопровождается появлением обратной волны, которая накладывается на прямые и усиливается. При ударе этих волн о стенки цилиндра возникает вибрация стенок цилиндра, поршня, сопровождающаяся резкими металлическими стуками. Вибрационный характер нагрузки на поршень вызывает разрушение подшипников шатуна, увеличивает теплоотдачу в поршень, ударные волны срывают масляную пленку со стенок цилиндра, увеличивая при этом износ цилиндропоршневой группы. Ударные волны сбивают нормальный фронт пламени, нарушая этим процесс сгорания. Все это сопровождается падением мощности двигателя и ухудшением экономичности. Возникновению детонации способствуют факторы, уменьшающие период задержки воспламенения смеси, сгорающей в последнюю очередь, и форма камеры сгорания, способствующая увеличению пути перемещения фронта пламени (рис. 25, 26).

69