Лекция Тепловой баланс двигателя 2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ По мнению ведущих специалистов автомобилестроения, например председателя совета директоров компании Adam Opel AG К.-П. Фостера, поршневые двигатели внутреннего сгорания сохранят свое господство в автомобилестроении по крайней мере еще на протяжении 2530 лет. Отмечают также, что после 1985 г. двигатели совершили качественный рывок вперед. Эволюция моторов с искровым зажиганием направлена на непосредственный впрыск бензина, развитие автоматического управления фазами клапанного газораспределительного механизма, применение новых видов топлива, например водорода.

Развитие дизелей идет в направлении разработки процесса с использованием «однородной смеси с воспламенением от сжатия» (homogeneous charge compression ignition). Эти направления помогут снизить выбросы вредных веществ в отработанных газах двигателя. Совершенство процессов, происходящих в цилиндре реального автомобильного двигателя, оценивают по индикаторным показателям его действительного цикла, совершенство двигателя в целом по его эффективным показателям. Формулы, связывающие эти показатели с условиями работы двигателя и его конструктивными размерами, позволяют определить тенденции улучшения показателей двигателя. Увеличение экономичности реального двигателя возможно только за счет сокращения тепловых потерь, а для этого необходимо установить, куда расходуется теплота, не превращаемая в полезную работу.

1. Тепловой баланс двигателя Теплота, выделяемая при горении топлива, не может быть полностью трансформирована в полезную работу, так как в соответствии со вторым законом термодинамики часть теплоты неизбежно должна быть отдана холодному источнику. Расходование теплоты сгорания топлива, внесенного в двигатель за определенный период, на полезную работу и различные потери характеризуется тепловым балансом. Тепловой баланс двигателя определяется для различных режимов работы на основании результатов испытаний при установившемся тепловом режиме. С помощью теплового баланса можно определить степень совершенства конструкции и регулировок двигателя и наметить пути улучшения экономичности его работы. Уравнение теплового баланса можно записать в виде (1) где Q теплота сгорания топлива, поступившего в двигатель; Q е теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя; Q в теплота, переданная в охлаждающую среду через стенки цилиндра;

Q г теплота, уносимая с отработанными газами; Q н.с потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива; Q ост остальные, не учтенные ранее, тепловые потери. В относительных величинах (в %) уравнение теплового баланса можно записать в виде (2) Теплоту сгорания топлива, расходуемого двигателем за 1 ч работы (3) (к Дж/ч), определяют по низшей теплотворной способности топлива Н и Количество теплоты (к Дж/ч), эквивалентное эффективной мощности двигателя (к Вт), равно (к Дж/кг) и часовому расходу топлива G T (кг/ч): (4) Потери теплоты в окружающую среду (к Дж/ч) составляют (5) где G B расход охладителя через систему, кг/ч;

с в теплоемкость охладителя, к Дж/(кг · К); Т 1, Т 2 температура охладителя на входе и выходе из системы охлаждения, К. Теплоту, уносимую с отработанными газами (к Дж/ч), можно определить по формуле, составленной исходя из предположения, что количество газов Q r равно сумме количеств поступившего воздуха G возд и топлива G Т : (6) где с р средняя теплоемкость отработанных газов при постоянном давлении (с р = 1,04 к Дж/(кг · К)); Т г,Т о температура отработанных газов и окружающей среды, К. Потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива (к Дж/ч) определяются только для карбюраторных двигателей при значении а < 1 по уравнению (7) Остальные теплопотери составляют Q ост = Q - (Q e +Q в + Q г + Q н.с ) Они включают потери теплоты на преодоление трения, потери через излучение нагретых внешних поверхностей двигателя, потери на привод вспомогательных механизмов и др.

Слагаемые теплового баланса изменяются в зависимости от нагрузки, теплового состояния и скоростного режима работы двигателя. Их значения, соответствующие работе автомобильных двигателей на номинальном режиме, приведены в табл. 1. Таблица 1. Значения слагаемых теплового баланса, % При повышении степени сжатия увеличивается доля теплоты, преобразованной в полезную работу. Поэтому эффективный КПД дизелей больше, чем КПД карбюраторных двигателей. По мере уменьшения нагрузки двигателя при постоянном скоростном режиме доля теплоты, преобразуемой в полезную работу, уменьшается, а потери увеличиваются. При работе двигателя без нагрузки они составляют 100 %.

При работе двигателя с полной нагрузкой наилучшее теплоиспользование имеет место на средних скоростных режимах, когда суммарные тепловые потери в охлаждающую среду, с отработавшими газами и механические потери минимальны (рис. 1, а). Рис. 1. Изменение теплового баланса карбюраторного двигателя: а в зависимости от частоты вращения коленчатого вала; б в зависимости от состава смеси

Изменение состава смеси существенно влияет на теплоиспользование в двигателе вследствие изменения теплоты сгорания и скорости сгорания смеси (рис. 1, б). Работа на обогащенных смесях характеризуется уменьшением эффективности использования теплоты из-за неполноты сгорания топлива, хотя тепловые потери в охлаждающую среду и с отработанными газами при этом несколько снижаются. По мере обеднения смеси потери от неполноты сгорания уменьшаются, но возрастают потери в охлаждающую среду и с отработавшими газами. Суммарные потери в карбюраторном двигателе минимальны при его работе на экономичных смесях (α 1,1). В дизелях по сравнению с карбюраторными двигателями потери теплоты на преодоление механических сопротивлений больше вследствие больших сил давления газа и связанных с ними потерь на трение. Однако принципиально неустранимые потери теплоты в дизелях из-за более высокой степени сжатия меньше, чем в карбюраторных двигателях, поэтому эффективный КПД дизелей выше.

2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей В ходе совершенствования автомобильных двигателей увеличивается их мощность, улучшается экономичность, уменьшаются габаритные размеры, снижается масса, и повышаются надежность и срок службы. Эффективная мощность двигателей может быть повышена путем воздействия на ряд параметров двигателя. Повышение мощности за счет увеличения литража (V hit ) связано с увеличением габаритов и массы двигателя. Поэтому этот метод целесообразно применять после того, как исчерпаны другие возможности. Совершенство рабочего процесса и конструкции двигателя оценивается по литровой мощности: Среднее эффективное давление р е = р i η М Из выражения для индикаторного КПД

имеем Следовательно Подставляя это выражение в формулу литровой мощности, имеем (8) Удельный эффективный расход топлива, кг/(к Вт ч), равен (9) Выражения (8) и (9) позволяют проанализировать влияние различных факторов на литровую мощность и экономичность и наметить возможные пути их повышения.

Значение H 0 /L 0 для автомобильного жидкого топлива изменяется незначительно и поэтому на литровую мощность практически не влияет. Следовательно, повышение литровой мощности двигателя может осуществляться за счет увеличения η i /a, η м, η v, п, 1/τ и изменения условий наполнения (p 0 и T 0 ). Индикаторный КПД в основном зависит от степени сжатия s и состава рабочей смеси а (рис. 2). Рис. 2. Влияние степени сжатия и коэффициента избытка воздуха на индикаторный КПД

Однако увеличение степени сжатия приводит к росту теплоотдачи через стенки камеры сгорания, что затягивает догорание заряда, повышает технические потери тепла и ухудшает динамику сгорания. Поэтому на практике рост η i достигает максимума при ε = Наибольший η i а значит, и экономичность двигателя достигаются при a = 1, ,08 (для карбюраторных ДВС). В карбюраторных двигателях повышение ε без появления признаков детонационного сгорания возможно при уменьшении диаметра цилиндра, применении алюминиевых поршней, использовании впрыска топлива вместо карбюрации. Отношение η i /a характеризует качество протекания рабочего процесса. Наибольшее значение η i /a для карбюраторных двигателей имеет место при a 0,9 Для дизелей, у которых процесс смесеобразования менее совершенный, наибольшее значение η i /a имеет место при a>1. Изменение тактности двигателя, в частности применение двухтактного цикла вместо четырехтактного, теоретически повышает литровую мощность в два раза. Это следует из формулы (8). В двухтактном цикле полный рабочий цикл в одном цилиндре осуществляется не за четыре, а за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала.

В действительности мощность двигателя повышается только на % в связи с потерями, которые определяются спецификой рабочего процесса двухтактного цикла. Повышение экономичности и мощности двигателей всех типов может быть осуществлено за счет снижения механических потерь, на преодоление которых затрачивается % теплоты сгорании топлива. Значение механического КПД η м можно увеличить, уменьшая потери на трение деталей КШМ и на приведение вспомогательных механизмов двигателя и увеличивая индикаторную мощность Р i. Необходимо также учитывать, что наибольшая величина η м имеет место при работе двигателя на полной нагрузке при малых скоростных режимах. Для уменьшения механических потерь в приводе, например, вентилятора системы охлаждения там устанавливают автоматически отключаемую муфту, что позволяет уменьшать потери мощности на привод вентилятора путем его отключения на некоторых режимах работы. Увеличение коэффициента наполнения μ v в современных быстроходных двигателях обеспечивается применением верхнего расположения клапанов, двухкамерных карбюраторов, автоматического регулирования фаз газораспределения, уменьшением сопротивления впускной системы.

Одним из наиболее эффективных мероприятий, увеличивающих литровую мощность двигателя, является наддув. Под наддувом понимается принудительная подача свежего заряда в цилиндры двигателя под давлением, превышающим давление окружающей среды. Из формулы (8) видно, что чем больше давление и меньше температура окружающей среды, определяющие давление и температуру при наполнении цилиндра, тем больше масса свежего заряда, а следовательно, мощность двигателя. Плотность, а значит, и массу свежего заряда можно значительно увеличить, повышая давление перед поступлением в цилиндры, что и делается при наддуве. Для наддува двигателей применяются центробежные и объемные нагнетатели. Привод центробежных нагнетателей осуществляется или от коленчатого вала двигателя, или от специальной газовой турбины, использующей энергию отработавших газов (газотурбинный наддув). Для охлаждения наддувочного воздуха применяют специальные охладители. Увеличение индикаторной мощности при газотурбинном наддуве приводит к некоторому росту η м и снижает удельный расход топлива. При величине давления наддува p k = 0, ,2 МПа степень повышения эффективной мощности составляет ψ rk = 1,4...1,7, при p k >0,2 МПа ψ rk = 2,0.

В карбюраторных двигателях наддув почти не применяется из-за опасности возникновения детонации. Влияние частоты вращения коленчатого вала п на литровую мощность двигателя необходимо оценивать по комплексному множителю nηvηM. При повышении частоты вращения для форсирования двигателя необходимо, чтобы этот множитель был максимальным. На развиваемую двигателем мощность и его экономичность оказывают влияние условия технической эксплуатации. Здесь, прежде всего надо отметить необходимость организации оптимального технического обслуживания, соблюдения рекомендованных заводом-изготовителем технических регулировок в механизмах и системах двигателя. Оценка различных путей реализации рассмотренных направлений приводит к выводу, что наиболее эффективными методами повышении экономических показателей двигателя являются: - повышение степени сжатия и использование бедных горючих смесей; - совершенствование качества смесеобразования и повышение механического КПД;

- соблюдение условий технической эксплуатации двигателя. Повышения мощности двигателя, кроме того, можно достичь следующими способами: - увеличением объема двигателя; - повышением частоты вращения коленчатого вала; - переходом с четырехтактного цикла на двухтактный; - увеличением массы циклового заряда за счет совершенствования процесса газообмена и за счет наддува и промежуточного охлаждения заряда.