книги из ГПНТБ / Взоров, Б. А. Форсирование тракторных двигателей

'определяемого допустимым коэффициентом избытка воздуха а, дает прирост индикаторной мощности всего на 9%. Форсирова­ ние только по частоте вращения до средней скорости поршня 9,15 м/с увеличивает индикаторную мощность па 22%, но с уче­ том возрастания механических потерь повышение эффективной

2000 об/мин с двумя впускными и двумя выпускными клапа­ нами. Как видно, применение четырех клапанов на цилиндр п повышение частоты вращения с 1750 до 2000 об/мин позволило получить только увеличение среднего индикаторного давления при одинаковых значениях а, а индикаторный к. п. д. остался без изменения. Линии 3 соответствуют тому же эксперименталь­ ному дизелю, но работающему с наддувом при 2000 об/мин. Стрелками показана схема форсирования.

Номинальному режиму серийного дизеля А-41 соответствует

8,9 кгс/см2 в точке Е. Это дает увеличение эффективной мощности примерно па 8% при снижении индикаторного к. п. д. от

5* 123

0.471 до 0,448. Столь малое приращение мощности при форси­ ровании неприемлемо. Больший эффект может быть получен только одновременным увеличением частоты вращения и повы­ шением индикаторного давления. В рассматриваемом дизеле при средней скорости поршня примерно 9,3 м/с соответствую­ щая частота вращения равна 2000 об/мин.

Как показано горизонтальной стрелкой, переход из точки А в точку В означает форсирование по частоте вращения, что уже может дать 14% прироста мощности. Перейдя па линию 2, можно дополнительно форсировать дизель по среднему инди­ каторному давлению, увеличение которого должно также ком­ пенсировать повышение механических потерь (это показано пе­ реходом в точку С со средним индикаторным давлением 9,6 кгс./см2). При этом изменение индикаторного к. и. д. проис­ ходит так, как показано стрелками па кривых гр= /(а). Вна­

эффективной — приблизительно 34% при уменьшении индика­ торного к. и. д. примерно на 3,5%.

Следующей ступенью форсирования является применение наддува. При условии сохранения частоты вращения 2000 об/мин

к. п. д. при этом понижается до 0,44, т. е. па 6,5%. Но приме­ нение четырех клапанов на цилиндр вместо двух уменьшает потери на насосные ходы, и поэтому повышение эффективного удельного расхода топлива составит около 3%. В этих иссле­ дованиях давление наддува было равно примерно 1,5 кгс/см2 при температуре воздуха, прошедшего через холодильник, при­ близительно 53° С.

Из графика, показанного на рис. 82, также следует, что применение наддува для форсирования дизеля повышением среднего индикаторного давления без увеличения частоты вра­ щения приводит к уменьшению индикаторного к. п. д. Переход при любом значении а с линии 2 на линию 3 по р-, означает переход с линии 2 на линию 3 по гр. Наблюдаемое пони­ жение индикаторного к. п. д. объясняется следующими при­ чинами.

При наддуве увеличивается плотность воздушного заряда и становится равной рк при давлении рк и температуре Тк после компрессора.

Увеличивается также температура конца сжатия и тепло­ емкость, уменьшается степень повышения давления

Рс

124

к. п. д. Этому же способствует увеличение тепловых потерь вследствие повышения температуры цикла и улучшения тепло­ передачи от газов при большей их плотности. Однако при над­ дуве, как правило, повышается коэффициент избытка воздуха а, влияние которого на индикаторный к. п. д. имеет сложный ха­ рактер. С увеличением а степень повышения давления X уменьшается, но в то же время улучшаются процессы смесеоб­ разования и сгорания. Последнее обстоятельство имеет прева­ лирующее значение и потому индикаторный к. п. д. возрастает, несмотря на некоторое уменьшение X. Введение охлаждения воздуха после компрессора, благодаря чему понижается тем­ пература конца сжатия, также повышает индикаторный к. п. д.

Эффективный к. п. д. при наддуве повышается в широком диапазоне нагрузок, так как этому способствует уменьшение механических (насосных) потерь.

Рассмотрение разных способов форсирования, сделанное с помощью рис. 81 и 82, показывает, что с применением наддува или без него наиболее целесообразным является комбинирован­ ный способ форсирования, т. е. увеличение среднего индикатор­ ного давления при одновременном повышении частоты враще­ ния. Это целесообразно еще и потому, что при таком способе в случае одинакового процентного увеличения мощности, как и при форсировании только по одному среднему индикаторному давлению, меньше увеличивается крутящий момент дизеля, что повышает надежность трансмиссии трактора.

Допустимое изменение параметров дизеля при форсирова­ нии, как было показано на рис. 81 и 82, получается при обеспе­ чении минимально допустимого для номинального режима коэф­ фициента избытка воздуха а, являющегося на упомянутых гра­ фиках аргументом двух функций: среднего индикаторного давления и индикаторного к. п. д., зависящих также от частоты вращения.

В результате выбора таким способом величин pit гр- и п мож­

среднее эффективное давление в кгс/см2

P e ^ P l — P».a>

удельный эффективный расход топлива в г/л. с. ч

Pi

125

Для тракторных дизелей запас крутящего момента, который может быть выражен как отношение максимального момента к моменту при номинальном режиме,

Р = Мтя?~ = 1,12 ч- 1,20.

-Д ю м

Частота вращения, соответствующая максимальному мо­ менту,

«мш;,х = (0-70 ч- 0,80) /11ЮМ.

Выбирая значения р и /гмшах в указанных пределах, 'можно вычислить среднее эффективное давление /д.м при максималь­ ном крутящем моменте:

Рем = Р/Кн-

где рт — среднее эффективное давление на поминальном режи­

рис. 81 и 82, определить коэффициент избытка воздуха «м при максимальном крутящем моменте, который должен быть «м^ >1,25.

Среднее индикаторное давление получается расчетом и зависит от нескольких физических параметров. В частности, pi возрастает с увеличением степени повышения давления к. Однако увеличение pi при наддуве происходит даже при умень­ шении /., так как при этом возрастает рс.

Давление рс изменяется в зависимости от конструктивных параметров: степени сжатия, фаз газораспределения, частоты вращения, давления наддува, сопротивления воздухоочистителя и др. Кроме того, рс зависит от изношенности гильз, поршне­ вых колец, степени засоренности воздухоочистителя, вязкости масла и условий окружающей среды. При данном давлении рс значения к, а следовательно, и р ; зависят от pz. Для повыше­ ния мощности и индикаторного к. п. д. желательно повышать Р: при данном рс. Однако это повышает динамическую и теп­ ловую напряженность деталей и уменьшает надежность дизе­ ля, так как увеличение р: вызывает еще увеличение скорости dpjdcp нарастания давления при сгорании, т. е. «жесткости». Поэтому одной из главных задач исследований рабочего про­ цесса является получение высоких индикаторных к. п. д. при

вращения при постоянном среднем эффективном давлении рс =

126

частоты вращения среднее индикаторное давление увеличива­ ется (см. рис. 83), так как это необходимо для компенсации возрастания механических потерь. При этом в' диапазоне ча­ стот вращения 1200—2100 об/мин наблюдаются линейные за-

мерно до 2,0. Увеличение ре от 2 до 6,3 кгс/см2 при 2100 об/мин дает следующее изменение тех же параметров: р, — от 61 до 76 кгс/см2, dp/d(p — от 8,0 до 9,6 кгс/(см2• град) п л — примерно от 1,6 до 2,0. При 1750 об/мин все эти величины, имея меньшие значения, растут так же, как и при 2100 об/мин, пропорциональ­ но рс- Значение dp/dtp при обеих частотах вращения возрастает только с увеличением рс примерно до 4 кгс/см2.

127

тнвпому давлению, так и по частоте вращения незначителен и относительные величины примерно такие же, что п величины,

ния наддува без повышения частоты вращения увеличение /л- может составлять примерно 30%, по при наддуве возрастает максимальное давление р:, а жесткость dp/diр уменьшается. Причина этого заключается в следующем. При наддуве повы­ шаются давление /у- и температура Тс (в конце сжатия), что влечет за собой увеличение р: п В то же время повышение температуры Г,- и увеличение теплоемкости газов уменьшает степень повышения давления К и жесткость dp/d<р. Последнее происходит благодаря улучшению испарения топлива и сокра­ щению задержки воспламенения. Так, например, применение наддува без повышения частоты вращения па дизеле Л-41 при­ водит к увеличению мощности на 28% и росту максимального давления pz па 15%, но при этом уменьшаются /, примерно па 15% и dpjdср примерно па 25%.

7. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Повышение частоты вращения дизеля, среднего индикатор­ ного давления с применением турбонаддува или без пего из­ меняет условия рабочего процесса, в результате чего изменя­ ется количество выделяющейся теплоты и ее распределение на совершение работы и потери.

Существующие методы позволяют определить количества теплоты, отводимой в воду, масло, с отработавшими газами и теряемой с теплоизлучением от дизеля. Общее количество располагаемой теплоты определяют, условно полагая,-что все расходуемое топливо сгорает полностью. Во многих случаях теплоизлучение, потерю теплоты от неполноты сгорания топли­ ва вычисляют как «остаточный член» баланса, представляю­ щий разность между количеством располагаемой теплоты и суммарной потерей теплоты в воду, масло и с отработавшими газами, определенной экспериментально.

Результаты таких исследований дизеля Д-240 показаны на рис. 85. Изменение количества теплоты, превращенной в эффек­ тивную работу и представляющей упомянутые выше потери, дано в % от общей располагаемой теплоты, в зависимости от среднего эффективного давления при 2200 об/мин. В этих ис­ следованиях теплота, отводимая в масло, не определялась, она входит в «остаточный член» баланса, представляющий сумму потерь на теплоизлучение, неполноту сгорания топлива и учи­

тывающий также неточности при определении других величин, входящих в тепловой баланс.

128

Кривая 1 показывает изменение количества теплоты, прев­ ращенной в эффективную работу. С увеличением среднего эффективного, а следовательно, и индикаторного давления уменьшается индикаторный к. и. д. При этом механический к. п. д. т]м увеличивается, так как среднее давление механиче­ ских потерь при постоянной частоте вращения мало изменяется в рассматриваемом диапазоне средне­ го эффективного давления. Эффектив­ ный к. п. д.

Отработавшие газы уносят 27—32% теплоты (отрезки ординат между кривыми 2 и 3). Потери теплоты в масло, теплоизлуче­ нием и вследствие неполноты сгорания изображены отрезками ординат между кривой 3 и горизонтальной линией, соответст­ вующей 100%. Они изменяются в исследованном диапазоне

а отрезки ординат между кривыми 1 и 4 соответствуют меха­ ническим потерям, превращающимся в теплоту.

Приведенные результаты и аналогичные им, полученные при исследованиях других дизелей, позволяют сделать следующие выводы. В воду передается теплота от газов через стенки цилиндра, через кольца и поршень и теплота, возникающая вследствие трения колец и поршня. Теплота, передаваемая от газов, увеличивается с повышением ре пропорционально расхо­ ду топлива, а теплота, эквивалентная работетрения, мало из­ меняется по ре при постоянной частоте вращения. Поэтому ко­ личество теплоты, передаваемой в воду, почти не зависит от ре. Теплота, уносимая отработавшими газами, зависит от их температуры, которая растет с повышением ре, чем и объясня­ ется увеличение этой доли теплоты.

Вмасло отводится главным образом теплота, возникающая

врезультате трения в различных механизмах дизеля и в мень­ шей степени поступающая непосредственно от газов. Поэтому

129

цикловой подачи топлива. Это вызывало рост температур га­ зов и увеличение потерь теплоты с выпускными газами. Вместе с тем повышение частоты вращения сокращает время процессов, что уменьшает теплоотвод в воду. Сумма потерь, составляю­ щих «остаточный член баланса», уменьшается, но в значи­ тельно меньшей мере, чем при увеличении ре, т. е. примерно на 3% .Объясняется это тем, что потеря теплоты в масло, не определявшаяся отдельно в этих исследованиях, а входящая в «остаточный член», увеличивается с ростом частоты вращения вследствие повышения механических потерь. Это и замедляет уменьшение «остаточного члена» баланса, происходящее изза уменьшения неполноты сгорания. Последнее сказывается и на росте индикаторного к. п. д. В результате сумма потерь теплоты (без учета механических потерь), выражаемая орди­ натами над кривой 4, уменьшается с повышением частоты вращения.

Теплота, отводимая в масло, уменьшается с увеличением ре при постоянной частоте вращения. Это показано на рис. 87, где представлены результаты исследования дизеля А-41 с непо­ средственным измерением теплоты, отводимой в масло. Такой характер изменения этой доли теплоты сохраняется при раз­ ных частотах вращения. Кривая 1 соответствует 2000, кривая 2—1750 и кривая 3—1400 об/мин. На рис. 88 дана зависимость теплоты, отводимой в масло, от частоты вращения при трех

мощности.

Приведенные величины потерь теплоты в воду, масло и с отработавшими газами находятся в пределах, полученных при исследованиях других тракторных дизелей. Упомянутые вели­ чины характеризуют степень совершенства дизеля по рабочему процессу и конструкции. Так, например, потеря теплоты с от­ работавшими газами является неизбежной, однако ее величина может быть снижена за счет улучшения процесса сгорания и уменьшения температуры газов. Потеря от неполноты сгорания i-ie является неустранимой и зависит от совершенства процессов смесеобразования и сгорания. Потери теплоты в воду, масло и и теплоизлучением также не являются необходимыми для со­ вершения цикла, а возникают вследствие смазки механизмов дизеля и поддержания температуры деталей в допустимых пре­ делах. Поэтому в дизелях уменьшение теплоты, отводимой в масло и воду, против необходимой приводит к ненадежной ра­ боте деталей, а в высокофорсированных дизелях, например, масляное охлаждение поршней требует даже увеличения теп­

лоотдачи в масло.

Кроме относительных потерь теплоты важно при форсиро­ вании дизелей знать изменение абсолютных количеств теплоты, отводимой в воду и масло. Это позволяет определить те изме­

131