Эффективные показатели двигателя.

22.1. Что называется эффективным КПД? Что он характеризует?

Под эффективным КПД понимают долю от всей подведенной с топливом теплоты, превращенную в полезную работу: h_e=L_e/(V_цr_тH_u). Далее можно преобразовать: h_e=p_eV_h/(V_цr_тH_u)=p_iV_hh_м/(V_цr_тH_u)=L_i/(V_цr_тH_u)=h_ih_м.

22.2. Что называется средним эффективным давлением? В чем состоит важность этого параметра?

p_e=p_i-р_м, где р_е=L_e/V_h – среднее эффективное давление, т.е. полезная работа за цикл с единицы рабочего объема цилиндра. Важность этого параметра в том, что с его помощью можно сравнивать эффективность работы двигателей с разным объемом.

22.3.Что называется удельным эффективным расходом топлива? Какая связь существует между эф­фективным КПД и удельным эффективным расходом топлива?

Для оценки экономичности двигателя используется удельный эффективный расход топлива g_e, показывающий какое количества топлива расходуется на производство единицы эффективной работы: g_e=q_ц/L_e. Связан он с эффективным КПД следующим соотношением: g_e=3600/(h_eH_u).

22.4. Приведите вывод выражений для эффективного крутящего момента, эффективной мощности, литровой мощности. Что характеризует последняя?

Работа газов в цилиндрах двигателя за 1 минуту: L_i=p_iV_h(2n/t)i. Тогда работа за 1 с, или индикаторная мощность (кВт): N_i=p_iV_hni/30t, где p_i – в МПа, V_h – в л, n – в мин^-1. Так как момент связан с мощностью как M_i=N_i/w, а w=pn/30, то индикаторный момент (Нм): M_i=1000p_iV_hi(pt). Выразим эффективные показатели через индикаторные: N_e=N_ih_м=p_i*V_hin/(30t)*h_м=(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к)*V_hin/(30t)*h_м; M_к=M_ih_м=1000/(pt)*V_hi*p_i*h_м=1000/(pt)*V_hi*(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к)*h_м. N_л=p_i*n/(30t)*h_м=(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к)*n/(30t)*h_м. Литровая мощность характеризует, какое количество мощности приходится на единицу объема.

22.5. Рассмотрите влияние на величину эффективного КПД дизеля коэффициента избытка воздуха, угла опережения впрыскивания топлива, интенсивности движения заряда, качества процессов впры­скивания, распыливания, смесеобразования и сгорания, интенсивности охлаждения заряда, механиче­ских потерь, режима работы и условий окружающей среды.

Значение эффективного КПД определяется значением индикаторного и механического КПД, т.к. h_e=h_ih_м. Индикаторные показатели зависят от полноты и своевременности сгорания, от тепловых потерь в систему охлаждения и с ОГ. На них оказывают влияние: 1) Состав смеси (нагрузка дизеля). Для дизеля h_imax имеет место при сильно обедненной смеси, что объясняется использованием неоднородной смеси. Причины роста h_i с a до a_himax являются уменьшение потерь, связанных неполнотой и несвоевременностью сгорания и увеличением доли двухатомных газов). 2) Угол опережения впрыскивания. С повышением f_о.вп. увеличивается h_i. Существует определенный f_{о.вп.опт}, при котором достигаются их максимумы. 3) Интенсивность движения заряда. Если распыливающих отверстий пять, то увеличение угловой скорости вращения заряда w вызывает рост h_i. Если i_c=7…11, то увеличение только до определенного предела вызывает их рост. Дальнейшее увеличение w приводит к перезавихриванию, особенно при больших i_c, при котором увеличивается неполнота сгорания топлива и повышается дымление дизеля. 4) Качество процессов впры­скивания и распыливания. Для достижения высокого h_i характеристики впрыскивания и распыливания должны быть подобраны так, чтобы тепловыделение завершалось через 35…40 градусов после ВМТ. 5) Наполнение цилиндров. При неизменной цикловой подаче топлива увеличение h_V и r_0(к) ведет к пропорциональному росту a, что ведет к росту h_i. Если избежать существенного удлинения впрыскивания и нарушения оптимальных условий смесеобразования, то h_i ухудшается незначительно. Для дизелей с одной полостью и большим i_c роста h_i можно добиться, если использовать два впускных клапана и уменьшить S/D. 6) Частота вращения. Если при росте частоты a не изменяется, то h_i несколько увеличивается с ростом n в связи с уменьшением неполноты сгорания и снижением потерь теплоты в среду.

22.6. Рассмотрите влияние на величину эффективного КПД бензинового двигателя степени сжатия, коэффициента избытка воздуха, диаметра цилиндра, угла опережения зажигания, интенсивности движения заряда и горения, равномерности распределения смеси по цилиндрам, механических по­терь, режима работы.

Значение эффективного КПД определяется значением индикаторного и механического КПД, т.к. h_e=h_ih_м. Индикаторные показатели зависят от полноты и своевременности сгорания, от тепловых потерь в систему охлаждения и с ОГ. На них оказывают влияние: 1) Степень сжатия. У ДсИЗ e=6…11. Увеличение e заметно повышает h_i из-за улучшения условий воспламенения и уменьшения КС. 2) Коэффициент избытка воздуха. Он сильно влияет на протекание процесса. Наибольшей величине h_i соответствует такой состав смеси, при котором имеет место оптимальное сочетание полноты и скорости сгорания с теплоотводом в стенки. 3) Диаметр цилиндра. Чем больше размер цилиндра, тем меньше при данном ОЧ топлива должна быть e. При неизменном e увеличение D сопровождается ростом h_i из-за снижения доли теплоты, отдаваемой в стенки. 4) Угол опережения зажигания. Каждому сочетанию открытия дросселя, a и n соответствует свое f_{о.вп.опт}, при котором h_i достигает максимума. 5) Интенсивность движения заряда. На каждом скоростном и нагрузочном режимах двигателя существует некая своя оптимальная интенсивность движения, обеспечивающая работу с h_imax. При высокой интенсивности сильно возрастает теплоотдача в стенки. 6) Частота вращения. С ростом n сокращается время теплопередачи от газов в систему охлаждения, но растущая турбулизация усиливает этот процесс, также уменьшаются утечки газов через кольца. В результате с ростом n величина h_i мало меняется, имея тенденцию к возрастанию. 7) Нагрузка двигателя. С уменьшением нагрузки условия воспламенения и сгорания в ДсИЗ ухудшаются, при этом потери в систему охлаждения и с отработавшими газами возрастают, что приводит к падению h_i.

22.7. Приведите вывод уравнений, используемых для анализа влияния различных факторов на значе­ние среднего эффективного давления, эффективного крутящего момента, эффективной мощности, литровой мощности.

Работа газов в цилиндрах двигателя за 1 минуту: L_i=p_iV_h(2n/t)i. Тогда работа за 1 с, или индикаторная мощность (кВт): N_i=p_iV_hni/30t, где p_i – в МПа, V_h – в л, n – в мин^-1. Так как момент связан с мощностью как M_i=N_i/w, а w=pn/30, то индикаторный момент (Нм): M_i=1000p_iV_hi(pt). Выразим эффективные показатели через индикаторные: N_e=N_ih_м=p_i*V_hin/(30t)*h_м=(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к)*V_hin/(30t)*h_м; M_к=M_ih_м=1000/(pt)*V_hi*p_i*h_м=1000/(pt)*V_hi*(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к)*h_м. N_л=p_i*n/(30t)*h_м=(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к)*n/(30t)*h_м; p_e=p_i*h_м =(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к)*h_м. Для двигателей с внешним смесеобразованием p_i=[(H_u/(1+al_O)]h_ih_Vr_0(к)*h_м, причем h_V и r_0(к) определяются по количеству ТВС.

22.8. Рассмотрите влияние различных факторов на величину среднего эффективного давления, эф­фективного крутящего момента и эффективной мощности.

Влияние на эффективные показатели определяется влиянием индикаторного показателя и механического КПД, т.к. N_e=N_i*h_м=p_iV_hin/(30t)*h_м, и p_e=p_i*h_м=(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к); M_к=M_ih_м=1000p_iV_hi/(pt)*h_м. Приведем влияние на индикаторные показатели. На показатели дизеля влияют: 1) Состав смеси. (h_i/a)_max имеет место при некотором обеднении смеси. 2) Угол опережения впрыска. Существует оптимальный угол, при котором p_i максимально вследствие полноты смесеобразования и сгорания (выше h_i и h_V). 3) Интенсивность движения заряда. Увеличение количества распыливающих отверстий и увеличение угловой скорости вращения заряда w вызывает рост р_i (оказывает влияние h_V). 4) Применение наддува приводит к повышения h_V, а также росту r_0(к), что ведет к росту p_i. 5) Повышение объема цилиндра приводит к некоторому росту N_i и M_к, но при этом может снизиться p_i из-за ухудшения качества наполнения (падения h_V). 6) Увеличение количества цилиндров ведет к пропорциональному росту N_i и М_к. 7) Повышение частоты вращения увеличивает N_i, прямо не влияя на М_к, но может сказаться на ухудшении качества наполнения h_V. 8) Применение 2-тактного цикла ведет к повышению N_i, но отрицательно сказывается на наполнении цилиндров.

22.9. Сравните между собой эффективные показатели дизелей и бензиновых двигателей.

См. стр. 15. Влияние на эффективные показатели определяется влиянием индикаторного показателя и механического КПД: h_i бензиновых двигателей ниже дизельных, т.к. ДсИЗ работают в районе стехиометрической смеси, у которой больше доля 3-атомных газов в ОГ, что приводит к падению термического КПД. P_i бензиновых двигателей, больше чем безнаддувных дизелей, т.к. те работают при значительно более бедных смесях. Если на дизеле применить наддув, то p_i в дизеле может быть больше.

22.10. Приведите примерные значения η_е, р_е, Ν_л на номинальном режиме для разных типов двигателей.

4-тактные ДсИЗ (без наддува): η_е=0,25…0,35; р_е=0,75…0,85 МПа; Ν_л=20…50 кВт/л. 4-тактные дизели без наддува: η_е=0,36…0,42; р_е=0,65…0,8 МПа; Ν_л=12…20 кВт/л. То же, с наддувом: η_е=0,38…0,5; р_е<2 МПа; Ν_л=16…28 кВт/л. 2-тактные дизели: η_е=0,33…0,38; р_е=0,5…0,75 МПа; Ν_л=15…35 кВт/л.