3.7 ПОКАЗНИКИ РОБОЧОГО ЦИКЛУ І ДВИГУНА

 

 3.7.1 Індикаторні показники робочого циклу

 

Ці показники стосуються процесів, що відбуваються всередині циліндра і характеризують досконалість дійсного циклу за тепловикористанням. До них належать середній індикаторний тиск , індикаторна потужність . індикаторний ККД  та питома індикаторна витрата палива .

Середнім індикаторним тиском  називається умовний сталий тиск газів на поршень, який за один хід поршня виконав би роботу, що дорівнює роботі газів за цикл. В кожному робочому циклі за чотири ходи поршня тиск газів в надпоршневому просторі різко змінюється. Тому для спрощення розрахунків вводиться умовний середній тиск.

Середній індикаторний тиск теоретичного циклу, в якому не враховані процеси впуску і випуску і індикаторна діаграма нескруглена, визначається за наступною залежністю:

 

 , МПа.

 

Наведена залежність справедлива для двигунів із запалюванням від стиску. Для двигунів з іскровим запалюванням і .

Середній індикаторний тиск дійсного циклу:

 

’,

 

де  - коефіцієнт скруглення діаграми.

 

Індикаторна потужність. За один цикл в циліндрі двигуна виконується індикаторна робота:

, Нм

де  - робочий об’єм циліндра.

Кількість робочих циклів за секунду

 

,

де  - частота обертання колінчастого вала, ;

 - тактність двигуна.

Індикаторна потужність двигуна, кВт

 

,

 

де  в МПа, - в літрах.

 

Індикаторний ККД - це відношення роботи, виконаної газами в циліндрі ДВЗ, до енергії, що міститься у витраченому паливі:

 

,

 

де  в кВт;  в кДж/кг;  - годинна витрата палива в кг/год.

Питома індикаторна витрата палива - витрата палива на один кіловат потужності за годину:

 

, кг/кВт год.

 

3.7.2 Ефективні показники двигуна

 

Досконалість двигуна в цілому оцінюється ефективними показниками: ефективною потужністю , середнім ефективним тиском , ефективним ККД  та питомою ефективною витратою палива . Ці показники отримуються на виході з двигуна, на його колінчастому валу.

Ефективною, або дійсною потужністю, називається потужність, що розвивається на колінчастому валу двигуна і використовується для виконання корисної роботи:

 

, кВт,

 

 де  - потужність механічних втрат.

 

,

 

де  - потужність, яка витрачається на тертя (в кількості 65...80 % від загальної величини втрат);

 - потужність, яка втрачається на газообмін (14. ..20 %);

 - потужність, яка витрачається на привод допоміжних

механізмів (7. ..14 %).

За аналогією з індикаторною потужністю можна записати:

 

, кВт;

 

, кВт

 

де  - середній тиск механічних втрат, МПа;

 - середній ефективний тиск, МПа.

Середній ефективний тиск - це умовний, сталий за величиною тиск, який, діючи на поршень, виконав би за один хід поршня роботу, що дорівнює роботі на колінчастому валу за один робочий цикл:

 

.

 

Середній  тиск  механічних  втрат  -  це  умовний,  сталий  за величиною тиск, який, діючи на поршень, виконав би за один хід поршня роботу, що дорівнює роботі, затрачуваній на механічні втрати в двигуні за один робочий цикл. Його величина залежить від середньої швидкості    поршня

 

,

 

де  і  - сталі величини, які визначаються експериментально.

Середня швидкість поршня:

 

, м/с,

де  - хід поршня, м.

Механічний ККД оцінює частку індикаторної потужності, яка відповідає механічним втратам:

 

.

 

Ефективний ККД - це відношення роботи, здобутої на валу двигуна, до енергії, що містилася у витраченому паливі:

 

;

 

або .

 

 

 Питома ефективна витрата палива:

 

.

 

Значення ефективних показників автомобільних двигунів при їх роботі на номінальному режимі наведені в табл. 3.1. 

Таблиця 3.1. Ефективні показники автомобільних двигунів

 

 

3.7.3 Вплив різних факторів на ефективні показники двигуна

 

Під час проектування нових двигунів намагаються отримати якомога кращі ефективні показники, тому, що від них залежать  потужність і паливна економічність двигунів. Значення кожного з ефективних показників складається із значення відповідного індикаторного показника і показника механічних втрат. Рівень механічних втрат, зокрема втрат на тертя, визначається раціональним вибором матеріалу і технології виготовлення, а в процесі експлуатації - раціональним вибором експлуатаційних матеріалів, перш за все моторного  масла. При цьому намагаються використовувати масла з мінімальною в’язкістю, при якій забезпечується надійне рідинне тертя. Використання синтетичних моторних масел дозволяє суттєво зменшити втрати на тертя, особливо при роботі двигуна в умовах низьких температур. Другий напрямок зменшення втрат на тертя - підтримання оптимальних експлуатаційних режимів двигуна, зокрема теплового режиму двигуна. В сучасних двигунах для зменшення часу прогріву двигуна до робочої температури зменшують ємності контурів систем охолодження.

Що стосується  індикаторних показників, то на них впливають:

1) Ступінь стиску. В двигунах з іскровим запалюванням підвищення ступеня стиску покращує тепловикористання, що веде до збільшення середнього індикаторного тиску , а значить, до підвищення індикаторної потужності

. При цьому також покращується економічність циклу. Отже, збільшення

ступеня стиску до появи детонації є корисним. В дизелях застосовують достатньо високі значення ступеня стиску ( = 16...22), тому подальше їх підвищення не дасть значного приросту індикаторного ККД, а навантаження на деталі двигуна зростуть  значною мірою.

2) Якість горючої суміші, яка оцінюється коефіцієнтом надлишку повітря , істотно впливає на хід згоряння, а тому і на індикаторні показники циклу. В бензинових двигунах найбільшому значенню індикаторного ККД відповідає збіднена суміш ( = 1,05...1,15). При цьому досягається повне згоряння. При подальшому збільшенні  швидкість згоряння зменшується, тепловикористання погіршується й індикаторний ККД знижується. Найбільше значення середнього індикаторного тиску досягається при збагаченій суміші (= 0,85...0,95), яка забезпечує максимальну швидкість згоряння. В дизелях найбільші значення середнього індикаторного тиску та індикаторної потужності досягаються на номінальному режимі роботи при  = 1,3...1,7. Зниження   досягається зменшенням кількості палива, яке подається в циліндр за цикл. При цьому  зростає, причому до значень  = 3,3...4,0 значення індикаторного ККД також зростає.

3) Кут випередження запалювання (впорскування) впливає на індикаторні показники через показники процесу згоряння. Кожному режимові роботи двигуна відповідає свій оптимальний кут випередження, який забезпечується у бензиновому двигуні відцентровим і вакуумним регуляторами, а в дизелі - муфтою випередження впорскування.

4) Навантаження. У бензиновому двигуні та дизелі найбільші значення індикаторної потужності отримуються на номінальному режимі, а найбільше значення індикаторного ККД в бензинових двигунах досягається на середніх навантаженнях, коли  > 1. В дизелях при збільшеннях до 3,5...4,0 значення  також зростає через зниження місцевого перезбагачення суміші.

 

3.7.4 Питомі показники двигуна

 

До цих показників відносяться літрова потужність, поршнева потужність, літрова і питома маси двигуна. Найчастіше для оцінки ефективності використання робочого об’єму циліндра використовують літрову потужність. Це ефективна потужність, що припадає на 1 літр робочого об’єму двигуна

, кВт/л.

 

Для моторобудування характерне безперервне зростання літрової потужності, яка оцінює ступінь форсування двигуна. Якщо двигун ГАЗ-А мав  = 16,6 кВт/л, то двигун ГАЗ-21 мав вже  =38 кВт/л. В сучасних двигунів  сягає 100 кВт/л і більше. Це досягається перш за все забезпеченням якісного наповнення циліндрів свіжим зарядом застосуванням наддуву або досконалих механізмів газорозподілу з трьома чи чотирма клапанами на циліндр і механізмів зі змінними фазами газорозподілу.

 

 

3.7.5 ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС І ТЕПЛОВА НАПРУЖЕНІСТЬ ДЕТАЛЕЙ

ДВИГУНА

 

 Зовнішній тепловий баланс двигуна

 

В ДВЗ на корисну роботу йде тільки частина тепла, що виділяється при згорянні палива. Решта його втрачається. Щоб визначити, як використовується введене в двигун тепло, складається рівняння зовнішнього теплового балансу:

, Дж.

 

де Q_з – загальна теплота, введена в ДВЗ на розглядуваному режимі роботи;

Q_е , Q_в , Q_г - відповідно теплота, еквівалентна ефективній роботі, відведена в навколишнє середовище, виведена з відпрацьованими газами;

Q_н.з – втрати теплоти через неповноту згоряння;

Q_н – невраховані втрати теплоти.

Для того, щоб кожну складову виразити у відсотках від загальної введеної теплоти, потрібно всі члени рівняння поділити на Q_з  та помножити на 100. Вийде рівняння:

Значення   складових   теплового   балансу   при   роботі   двигуна   на

номінальному режимі, %:

 

Тип ДВЗ
бензиновий	21. ..28	12. ..27	30...55	0...45	3...10
дизель	29...42	15. ..35	25. ..45	0...5	2. ..5

 

На інших режимах роботи співвідношення між складовими теплового балансу буде іншим. За рівнянням теплового балансу можна судити про досконалість використання тепла в двигуні. Можна намітити такі головні напрямки поліпшення тепловикористання:

1) Вдосконалення процесів робочого циклу, від якого залежить.

2) Зменшення втрат теплоти в систему охолодження за рахунок збільшення адіабатності двигуна. Мова йде про адіабатні двигуни, які здатні працювати без систем охолодження.

3) Застосування  турбонаддуву, який дає можливість частину енергії відпрацьованих газів використовувати для приводу робочого колеса турбіни та нагнітання свіжого заряду в циліндри.

 

Теплова напруженість

 

  В даний час автомобільні двигуни намагаються форсувати за частотою обертання і середнім ефективним тиском . З підвищенням зростає теплова потужність деяких деталей ДВЗ, насамперед – днища поршня та внутрішньої поверхні камери згоряння, а також випускного клапана. На рис. 4. 1 показано розподіл температур на поверхні днища і бічних стінок поршнів двигунів різних типів. Видно, що температурні поля характеризуються значною нерівномірності в різних зонах, що призводить до деформацій та виникнення тріщин. Від температури залежить міцність деталей. Тому теплова напруженість визначає допустиму межу форсування двигуна. Зокрема, перегрів поршня призводить до закоксування поршневих кілець, виникнення задирок на поверхнях тертя, заклинювання поршня. При експлутації автомобіля водій повинен уважно стежити за додержанням нормального теплового стану двигуна.

 

Рис. 3.13.  Робочі температури поршнів автомобільних двигунів при повному навантаженні

 

З досвіду відомо, що для запобігання втрати рухомості кільця в канавці внаслідок відкладання коксу температура поблизу канавки під верхнє кільце не повинна перевищувати 220С. 

В процесі експлуатації теплова напруженість може зрости внаслідок:

-    відкладання накипу в системі охолодження двигуна;

- порушень в нормальному протіканні процесу згоряння через використання палив з невідповідними властивостями і недотримання оптимальних регулювань систем живлення та запалювання.