9.4 Способи форсування двигунів за питомою потужністю

Одним із засобів зниження маси і зменшення габаритних розмірів двигуна є його форсування за питомою потужністю. Їх можна виявити з аналізу виражень (9.1) і (9.2). З цих залежностей випливає, що питома потужність залежить від наступних факторів:

1. нижчої теплоти згоряння пальної суміші, яка характеризується відношенням H_u/l_o;

2. числа тактів  двигуна;

3. якості протікання робочого процесу, обумовленого відношенням індикаторного ККД до коефіцієнта надлишку повітря (_i/);

4. механічного ККД _m;

5. швидкохідності, яка оцінюється частотою обертання n;

6. кількості свіжого заряду, що знаходиться в циліндрі до початку стиску, який характеризується добутком коефіцієнта наповнення на щільність повітря чи суміші, тобто _V_k.

З перерахованих факторів для збільшення питомої потужності можна використовувати тактність  двигуна, відношення (_i/), частоту обертання вала n і добуток _V_k. Звідси випливають основні шляхи збільшення питомої потужності.

Здійснення двотактного циклу

Експериментальні дослідження і порівняльні розрахунки показують, що літрова потужність двотактного двигуна при інших рівних параметрах більше літрової потужності чотиритактного двигуна в 1,5 - 1,7 рази.

Збільшення ступеня стиску

З ростом ступеня стиску підвищується індикаторний ККД, а, отже, і питома потужність двигуна. При цьому зменшується відносна кількість теплоти, що виділяється в основній фазі згоряння, і збільшується частка палива, що догоряє в процесі розширення. Унаслідок підвищення максимальної температури в циліндрі збільшується інтенсивність дисоціації і теплопередачі в стінки циліндра. Це приводить до уповільнення росту _i, а, отже, і літрової потужності зі збільшенням . З підвищенням тиску газів у циліндрі двигуна збільшується і тиск механічних утрат.

У дизелях величину  вибирають виходячи з умов забезпечення надійного пуску і припустимого навантаження на його деталі. Подальше підвищення  не викликає росту питомої потужності і може привести навіть до її зменшення, що поясняється зниженням механічного ККД.

Карбюраторні двигуни мають такі ступені стиску, при яких їхнє подальше підвищення збільшує питому потужність і поліпшує економічність. Зростання механічних втрат, затруднення пуску і необхідність підвищення октанового числа палива зі збільшенням ступеня стиску обумовлюють недоцільність підвищення ступеня стиску вище 12 у двигунах із примусовим запалюванням.

Зменшення коефіцієнта надлишку повітря

При зниженні коефіцієнта надлишку повітря до визначеної межі збільшується відношення _i/, а, отже, і питома потужність. Зниження коефіцієнта  дозволяє зменшити прохідні перетини впускних і випускних органів і трубопроводів, тобто знизити масу і габаритні розміри двигуна. Однак при роботі з більш низькими значеннями коефіцієнта  підвищуються максимальна і середня температури циклу і температура випускних газів, що приводить до росту теплонапруженості основних деталей поршневої частини. Крім того, при знижених значеннях  зростають вимоги до організації процесу сумішоутворення і згоряння.

Підвищення частоти обертання

З вищенаведених виражень випливає, що питома потужність прямо пропорційна частоті обертання n вала двигуна. Однак така залежність питомої потужності від частоти обертання спостерігається лише у вузькому діапазоні її зміни поблизу р_емах чи M_emax. коли величини p_e і M_e змінюються незначною мірою.

Зі збільшенням n зменшується тривалість циклу, що позначається на протіканні робочого процесу двигуна: поліпшується розпилювання палива і перемішування його з повітрям, скорочується відносна кількість теплоти, що відводиться в систему охолодження, що сприятливо впливає на протікання процесу згоряння. У карбюраторних двигунах зі збільшенням частоти обертання вала зменшується схильність до детонації, що дає можливість трохи підвищити ступінь стиску, а, отже, і потужність.

При зміні швидкісного режиму роботи двигуна відношення _i/ мало змінюється. Якщо при збільшенні n коефіцієнт надлишку повітря  не змінюється, то практично можна прийняти постійним і _i.

Коефіцієнт наповнення з ростом частоти обертання при незмінних фазах газорозподілу і прохідних перетинів впускних і випускних органів зменшується. Тому зі збільшенням швидкохідності двигуна необхідно відповідним чином підбирати фази газорозподілу, збільшувати прохідні перетини впускних і випускних органів.

Зі збільшенням частоти обертання втрати на тертя і на газообмін у двигуні зростають і механічний ККД знижується. Тому всі заходи, спрямовані на підвищення механічного ККД, будуть сприяти також і збільшенню питомої потужності. До таких заходів можна віднести зменшення відносини S/D, збільшення ККД допоміжних агрегатів, оптимальне регулювання температури масла, води і т.п. Важливе значення має якість обробки тертьових поверхонь деталей, раціональний вибір їхніх матеріалів і мастил.

Підвищення частоти обертання вала двигуна викликає збільшення середньої швидкості поршня і навантажень від сил інерції. У результаті зростають утрати на тертя, знос тертьових деталей, напруги в колінчастому валу, шатуні, шатунних болтах і інших деталях двигуна, що може викликати необхідність застосування матеріалів більш високої якості і більш досконалих технологічних прийомів при їхній обробці.

Аналіз негативних наслідків від збільшення частоти обертання в двигунах внутрішнього згоряння показує, що відповідне підвищення питомої потужності легше забезпечити за рахунок наддуву. Тому в останні роки з метою підвищення економічності, надійності і довговічності ДВЗ часто зменшують частоту обертання.