книги из ГПНТБ / Селиверстов В.М. Теплосиловое оборудование подъемно-транспортных машин учебник

механические потери. Обусловленные работой трения механические потери в виде тепла входят в состав потерь с охлаждающей водой и маслом. Остальная часть их учитывается остаточным членом тепло­ вого баланса.

Располагаемое тепло QTкДж/ч, получаемое при сжигании топлива, определяют по формуле

где Мм — расход масла через систему смазки, кг/ч; сы — массовая теплоемкость масла, кДж/(кг-К);

147

теплового баланса. В остаточный член также входят: тепло, теряемое во внешнюю среду излучением, часть механических потерь и погреш­ ность в определении отдельных составляющих теплового баланса:

Примерные значения составляющих теплового баланса карбюра­ торных двигателей и дизелей приведены в табл. 3.

§ 84. Способы повышения мощности. Наддув

Из формулы (331) следует, что мощность двигателя можно повысить увеличением диаметра цилиндра D, а следовательно и его рабочего объема Vh, числа цилиндров і, частоты вращения двигателя п и сред­ него эффективного давления ре.

Первые два способа повышения мощности связаны с увеличением габаритов и массы двигателя.

Максимальная частота вращения, на которую проектируют двига­ тель, в большинстве случаев не превышает для карбюраторных дви­ гателей 8000 об/мин, для дизелей 4000 об/мин.

Повышенные частоты вращения позволяют существенно уменьшить вес и габариты двигателей, что особенно важно для двигателей, при­ меняемых в подъемно-транспортных машинах. Однако необходимо иметь в виду, что увеличение частоты вращения влияет на износ де­ талей двигателей и уменьшает его моторесурс. Поэтому увеличение мощности двигателя за счет повышения п не всегда может быть оправ­

дано.

Величина среднего эффективного давления ре = р{(\ы. Ее можно

увеличить повышением механического к. п. д. и среднего индикатор­ ного давления.

Повысить среднее индикаторное давление можно только увели­ чением работы, производимой газами в цилиндре двигателя, в резуль­ тате чего возрастает площадь индикаторной диаграммы. Это достигается повышением степени сжатия и увеличением максимального давления*

148

pz или увеличением массы заряда за счет подачи его в цилиндр при

давлении больше атмосферного.

При повышении степени сжатия площадь индикаторной диаграммы увеличивается незначительно, одновременно возрастает максималь­ ное давление цикла рг, что в свою очередь приводит к увеличению

массы двигателя.

Принудительное наполнение цилиндра свежим зарядом повышенно­ го давления называется н а д д у в о м . При наддуве в рабочем объе­ ме цилиндра увеличивается масса воздушного заряда, а следователь­ но, возрастает и количество топлива, которое можно сжечь за каждый ра­ бочий цикл. Процесс сгорания при этом не ухудшается и не возникает теплового перенапряжения стенок ка­ меры сгорания. Вследствие сжигания в цилиндре большого количества топ­ лива при наддуве увеличивается ши­ рина индикаторной диаграммы и ее площадь, а следовательно, и среднее индикаторное давление р г.

На рис. 78 для сравнения при­ ведена индикаторная диаграмма ди­ зеля без наддува и с наддувом. При наддуве среднее индикаторное дав­ ление рі может быть увеличено с 0,7

до 2,5 МН/м2.

Мощностные параметры двигателей при наддуве оценивают так называемой с т е п е н ь ю н а д д у в а й , представляющей отно­

шение среднего эффективного давления в двигателе с наддувом р"е к этому же давлению в двигателе без наддува ре при работе на номи­

нальном режиме:

Степень наддува приближенно можно выразить как отношение давления наддува рн к давлению окружающей среды,

где п — показатель политропы сжатия нагнетателя.

С ростом давления воздуха в нагнетателе повышается и его темпе­ ратура, в результате чего снижается удельная мощность двигателя. В современных двигателях при давлении наддувочного воздуха более 0,15 МН/м2 рекомендуется применять промежуточное охлаждение воздуха.

В двигателях с наддувом обычно степень сжатия меньше, чем без наддува. Это позволяет избежать значительного повышения мак­ симального давления цикла.

149

С помощью наддува мощность можно повысить не только в дизе­ лях, но и в карбюраторных двигателях.

Применение наддува позволяет создать серию двигателей одного типоразмерного ряда с разными мощностями без изменения основных деталей и узлов базового двигателя. Наддув является одним из самых эффективных и универсальных способов повышения мощности дви­ гателя.

§85. Схемы наддува двигателей

Вчетырехтактных двигателях применяют механический, газо­ турбинный и инерционный наддув.

Основным недостатком такой схемы является снижение экономи­ ческих показателей двигателя, особенно при работе его на долевых режимах. Объясняется это тем, что механический нагнетатель при лю­ бых режимах двигателя подает одно и то же количество воздуха, а сле­ довательно, потребляет одну и ту же мощность от него, что приводит к резкому снижению механического к. п. д. при работе на долевых режимах. Из-за указанных причин механический наддув не получил широкого распространения.

двигателя (рис. 79, б). Воздушный нагнетатель засасывает воздух из атмосферы и нагнетает его через впускные клапаны в цилиндры.

К преимуществам этой схемы наддува относятся использование отработавших газов для привода газовой турбины и саморегулируемссть наддувочного агрегата. Последнее объясняется тем, что с пони­ жением мощности двигателя уменьшается давление и температура отработавших газов; это приводит к снижению частоты вращения и мощности, развиваемой газовой турбиной и потребляемой нагнета­ телем, а следовательно, к уменьшению количества и давления пода­ ваемого воздуха.

150

При наддуве индикаторные показатели работы двигателя практи­

формулы (329), величина механических потерь, приходящаяся на 1 кВт, с ростом мощности Nt уменьшается, поскольку механические потери NTp при газотурбинном наддуве и без него одинаковы.

Газотурбинным наддувом оборудуются двигатели мощностью бо­ лее 75 кВт. При меньших мощностях количество газов, проходящих через турбину, невелико и ее размеры получаются весьма малыми и трудно выполнимыми.

С повышением степени сжатия и понижением температуры отра­ ботавших газов стало возможным применение газотурбинного надду­ ва и в карбюраторных двигателях. Этому также способствовало со­ здание компактных малогабаритных турбонагнетателей. Понижение температуры выпускных газов в двигателях позволяет обеспечить продолжительную и надежную работу газовой турбины.

В карбюраторных двигателях воздушный нагнетатель можно ус­ танавливать за карбюратором или перед ним. При размещении нагне­ тателя за карбюратором через него проходит горючая смесь. Повыше­ ние температуры воздуха в нагнетателе улучшает условия испарения топлива, однако капельки неиспарившегося топлива могут быть от­ брошены на стенки воздухосборника, что может обеднить горючую смесь. При расположении нагнетателя перед карбюратором его надо выполнять герметичным.

При и н е р ц и о н н о м н а д д у в е давление на входе в ци­ линдры повышается в конце впуска за время запаздывания закрытия впускного клапана. Достигается это за счет использования кинети­ ческой энергии потока воздуха, движущегося во впускном тракте двигателя. Величина давления на входе в цилиндр в конце впуска зависит от массы и скорости воздуха во впускном воздуховоде. Для повышения давления на впуске применяют длинные впускные трубо­ проводы, специально профилированные кулачковые шайбы впуск­ ных клапанов и т. д.

С целью лучшей очистки цилиндров и более полного их заполнения свежим зарядом используют эжекционный эффект выпускного тракта.

Инерционный наддув позволяет получить невысокие степени над­ дува. Его применяют в основном в карбюраторных двигателях.

Двухтактные двигатели снабжают продувочным насосом с меха­ ническим приводом, с помощью которого производят продувку и на­ полнение цилиндра свежим зарядом при давлении 0,115—0,125 МН/'м2. Таким образом, двухтактные двигатели можно считать двигателями с механическим наддувом. Наряду с механическим наддувом двух­ тактные двигатели в качестве второй ступени могут иметь газотурбин­ ный наддув. Однако не следует забывать, что в двухтактных двигате­ лях температура выпускных газов меньше (270д-350° С), чем в четы­ рехтактных (350-^500° С), а следовательно, меньше и запас энергии этих газов. Его может оказаться недостаточным для осуществления газотурбинного наддува с требуемой степенью повышения давления, особенно на долевых режимах работы двигателя.

151

Глава XXI

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 86. Скоростные характеристики

Двигатели внутреннего сгорания могут работать с различными мощностью и частотой вращения. Действительные значения мощности, среднего эффективного давления, удельного расхода топлива и других величин, характеризующих работу двигателя на различных режимах, определяют при испытаниях. Результаты их изображают в виде гра­ фических зависимостей одних параметров от других. Такие зависи­

симость основных величин (мощности, крутящего момента, удельного расхода топлива и др.) от частоты вращения коленчатого вала при по­ стоянном положении топливорегулирующего органа (дроссельной за­ слонки, рейки топливного насоса). В зависимости от положения топ­ ливорегулирующего органа различают внешнюю и частичные скорост­ ные характеристики. В н е ш н ю ю скоростную характеристику сни­ мают при полностью открытой дроссельной заслонке или при полной подаче топлива насосом.

В дизелях топливные насосы устанавливают с запасом по произ­ водительности, поэтому, в зависимости от положений рейки топливно­ го насоса, в них различают три внешние скоростные характеристики:

1)нормальную эксплуатационную, соответствующую мощностям, развиваемым в эксплуатации без ограничения времени;

2)наибольшую эксплуатационную, обеспечивающую наиболь­

3) максимальную, соответствующую максимальной мощности на всем диапазоне частоты вращения (рейка топливных насосов постав­ лена на максимально возможную подачу); эксплуатация дизелей на

Эффективная мощность, развиваемая двигателем, может быть оп­

152 .

Из формулы (349) видно, что эффективную мощность двигателя можно изменить двумя способами: изменением частоты вращения п и изменением ре за счет цикловой подачи топлива. Во втором случае будет изменяться и крутящий момент М е. Теоретически каждому положению топливорегулирующего органа при различных п должно соответствовать постоянное ре.

В действительности же в зависимости от п будут изменяться:

коэффициент наполнения цилиндра, количество подаваемого топлива, условия смесеобразования и другие факторы. Все эти факторы обу­ словливают зависимость ре от п при дан­

ном положении дроссельной заслонки или рейки топливного насоса.

Внешняя скоростная характеристика двигателя изображена на рис. 80. Как вид­ но из рисунка, вначале эффективная мощ­ ность двигателя увеличивается почти про­ порционально частоте вращения, в даль­ нейшем же рост ее замедляется. Максималь­ ная мощность, при которой двигатель мо­

ся. Наиболее экономичный режим работы двигателя geMHH не совпа­ дает с номинальным, поскольку с увеличением п возрастают механи­

ческие потери, коэффициент остаточных газов и т. д.

Из приведенных кривых на рис. 80 видно, что режим, соответству­ ющий максимальному крутящему моменту Л4емакс, также не совпадает с номинальным. Отношение максимального крутящего момента Ліемакс к крутящему моменту, соответствующему номинальной частоте

Он характеризует способность двигателя преодолевать кратко­ временные перегрузки в результате возрастания крутящего момента М е при снижении частоты вращения вала двигателя от номинальной пя до п, соответствующей Мсмакс.

Для карбюраторных двигателей k = 1,25-ь-1,45. У дизелей кривая

крутящего момента проходит более полого, и они имеют более низкое значение k (1,05 ~ 1,15).

Частичные скоростные характеристики снимают при работе дви­ гателя на долевых режимах. Число их может быть бесконечно боль­ шое, поскольку существует бесконечное множество промежуточных положений топливорегулирующих органов. Работа двигателя по та­ ким характеристикам всегда менее экономична из-за уменьшения механического к. п. д. вследствие снижения индикаторной мощности.

153

Взаимное расположение внешних (кривая 1) и частичных (кривая 2) характеристик карбюраторного двигателя показано на рис. 81, а.

У этих двигателей мощность и крутящий момент зависят в основном от коэффициента наполнения цилиндров горючей смесью г|н, который падает с увеличением п. Чем больше прикрытие дроссельной заслонки, тем значительнее с увеличением п снижается т)п, а следовательно,

мощность и крутящий момент на валу двигателя. При этом максимум мощности смещается в сторону меньшей частоты вращения.

Рис. 81. Взаимное расположение внешних и частичных характеристик у карбюраторных (а) и дизельных (б) двигателей

Несколько иные частичные характеристики у дизелей (рис. 81, б).

Объясняется это тем, что в них уменьшение подачи топлива за цикл при перемещении рейки не меняет характера зависимости подачи от частоты вращения, в связи с чем частичные характеристики имеют приблизительно тот же характер протекания, что и внешние.

§ 87. Регуляторные характеристики

Внешние и частичные характеристики, снятые при работе двига­

двигателя. Если двигатель оборудован однорежимным регулятором, то снимается одна характеристика, если всережимным, то несколько (при различных скоростных режимах).

Взаимное расположение внешней 1 и регуляторной 2 характе­

ристик дизеля, оборудованного однорежимным регулятором частоты вращения, приведено на рис. 80. При работе двигателя по регулятор­ ной характеристике наибольшая частота вращения ямаке соответству­ ет режиму холостого хода (Ne = 0), а наименьшая частота вращения пп — наибольшей мощности, развиваемой двигателем при заданной установке регулятора. При снижении п меньше п„ двигатель пере­ ходит на работу по внешней скоростной характеристике 1,

154

висимость основных показателей работы двигателей при различных

нением цикловой подачи топлива. Нагрузочная характеристика ди­ зеля, показывающая зависимость часового и удельного расхода топ­

лее он возрастает до точки 3, соот­

ветствующей номинальной нагрузке двигателя. Это объясняется ухуд­ шением сгорания топлива из-за уменьшения коэффициента избытка воздуха. В дизелях за пределами точки 3 резко снижаются экономи­

ческие показатели из-за все увеличивающей­

дачи топлива и давления открытия иглы фор­ сунки в дизелях, угла опережения зажигания в карбюраторных дви­ гателях), регулируемой в двигателе. При снятии регулировочных характеристик определяют оптимальные значения указанных величин,

155

обеспечивающих наивыгоднейшее условие работы двигателя при за­ данном п = const.

В качестве примера на рис. 83 приведена регулировочная харак­ теристика карбюраторного двигателя по углу опережения зажигания. Снижение мощности при углах опережения зажигания, меньших наивыгоднейшего, обусловливается сгоранием значительной части топлива на линии расширения, что приводит к увеличению потерь в охлаждающую воду и с выпускными газами. Увеличение угла опе­ режения по отношению к наивыгоднейшему является причиной дето­ национного горения, что также ведет к снижению мощности.

Гл а ва XXII

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

§90. Остов двигателя

Востов двигателя входят фундаментная рама с подшипниками, станина, цилиндровый блок с втулками и цилиндровые крышки. Вза­ имное расположение этих деталей показано на рис. 84. Приведенная

156