Зменшення коефіцієнта надлишку повітря

При зниженні коефіцієнта надлишку повітря до визначеної межі збільшується відношення h_i/a, а, отже, і питома потужність. Зниження коефіцієнта a 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 a підвищуються максимальна і середня температури циклу і температура випускних газів, що приводить до росту теплонапруженості основних деталей поршневої частини. Крім того, при знижених значеннях a 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 h_i/a мало змінюється. Якщо при збільшенні n коефіцієнт надлишку повітря a не змінюється, то практично можна прийняти постійним і h_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.

Перехід на безпосереднє вприскування в карбюраторних двигунах

Зменшення розходження в складі суміші в циліндрах багатоциліндрового двигуна, зниження опору впускної системи внаслідок відсутності карбюратора обумовлюють підвищення коефіцієнта наповнення, деякий приріст індикаторного ККД і питомої потужності двигунів з безпосереднім вприскуванням у порівнянні з тими ж параметрами карбюраторного двигуна. Ефект від заміни карбюраторного сумішоутворення безпосереднім вприскуванням збільшується зі збагаченням складу суміші, тобто зі зменшенням a.

В останні роки велика увага приділяється електронним системам вприскування палива. Їхнє застосування спрощує використання автоматичних систем керування робочим процесом за допомогою мікроЕОМ, що забезпечує значне підвищення експлуатаційної економічності і зменшення токсичності двигунів із примусовим запаленням.

Використання газодінамічних явищ у впускній і у випускній системах двигуна.

Однією з особливостей розвитку двигунів у даний час є широке використання газодінамічних явищ у впускній і у випускній системах для підвищення питомої потужності за рахунок збільшення коефіцієнта наповнення. Поліпшується очищення циліндра і зменшується робота насосних ходів.

Збільшення тиску заряду (наддув)

Прагнення підвищити щільність заряду на впуску в циліндри поршневої частини і за рахунок цього збільшити питому потужність призвело до створення комбінованих двигунів. Підвищення щільності заряду на впуску обумовлює збільшення масового наповнення циліндра не тільки внаслідок росту щільності заряду наприкінці наповнення, але також і за рахунок деякого підвищення коефіцієнта наповнення. Це пояснюється зменшенням відносних втрат тиску у впускних органах. У результаті росту масового наповнення циліндра, яке характеризується добутком h_Vr_k, збільшується питома потужність.

З ростом тиску r_k підвищується тиск у циліндрі двигуна, унаслідок чого збільшується робота тертя і змінюється робота, затрачувана на насосні ходи. У комбінованих двигунах робота насосних ходів може бути позитивною.

Межі форсування потужності при збільшенні тиску свіжого заряду

Підвищення тиску заряду, що надходить у двигун, обумовлює збільшення механічної і теплової напруженості двигуна. У двигунах із примусовим запалюванням із застосуванням наддуву потрібно паливо з більш високим октановим числом.

Збільшення механічного навантаження на деталі двигуна з підвищенням наддуву зв'язано з ростом максимального тиску газу в циліндрі. Тому для забезпечення надійної роботи деталей необхідно значно збільшити масу конструкції двигуна. Цей шлях варто визнати недоцільним для двигунів будь-якого типу.

Зі збільшенням тиску наддуву поряд з механічною напруженістю підвищується також і теплова напруженість кришки (голівки), клапанів, циліндра і поршня. Унаслідок росту кількості теплоти, яка приходиться на одиницю робочого об'єму циліндра і що виділяється при згорянні палива, збільшується кількість теплоти, що відводиться через стінки. Цьому сприяє також підвищення коефіцієнта тепловіддачі від газу до стінки в результаті росту тиску газу в циліндрі. Підвищення температур і температурних градієнтів приводить до збільшення напруг у деталях двигуна, погіршенню умов змащення, що також несприятливо відбивається на роботі двигуна.

Таким чином, ріст механічної і теплової напруженості ДВЗ є основною причиною, що обмежує збільшення тиску заряду, що надходить у циліндри. Звідси випливає, що, підвищуючи тиск заряду для збільшення питомої потужності, необхідно обмежувати максимальний тиск газу в циліндрі і швидкість його наростання, температуру і температурні градієнти в стінках деталей. Цього домагаються введенням конструкторських і технологічних удосконалень, а також раціональною організацією робочого процесу комбінованого двигуна.

Способи зменшення механічної напруженості двигуна: зниження ступеня стиску, зменшення кута випередження вприскування, вибір відповідних характеристик вприскування палива і способу сумішоутворення.

ТЕМА 10 ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС ДВИГУНА І ТЕПЛОНАПРУЖЕНІСТЬ ЙОГО ДЕТАЛЕЙ

Тепловий баланс двигуна

Розподіл теплоти, що виділяється при згорянні палива, на окремі складові (корисно використовувану теплоту і різні види теплових втрат) називається зовнішнім тепловим балансом.

Тепловий баланс двигуна визначається експериментально. Значення окремих складових теплового балансу характеризують досконалість використання тепла, дозволяють вибрати і розрахувати систему охолодження, з'ясувати можливість використання теплоти випускних газів і намітити шляхи поліпшення показників роботи двигуна.

Тепловий баланс можна скласти для різних режимів роботи двигуна. У більшості випадків тепловий баланс складають у відносних величинах (у частках чи відсотках), тобто відносять його складові до кількості підводимої теплоти.

Рівняння теплового балансу ДВЗ має наступний вид:

Q=Q_e+Q_в+Q_г+Q_м+Q_ост,

де Q - теплота згоряння витраченого палива;

Q_e - теплота, еквівалентна ефективній роботі двигуна;

Q_в - теплота, що відводиться від двигуна охолодним середовищем (рідиною чи повітрям);

Q_г - теплота, що відводиться випускними газами;

Q_м – теплота, що відводиться маслом (оливою);

Q_ост – член, що враховує втрати теплоти в результаті променистого і конвективного теплообміну нагрітих частин двигуна з навколишнім середовищем.

Виражаючи тепловий баланс у відсотках його рівняння представиться в наступному вигляді:

q_e+q_в+q_г+q_м+q_ост = 100%.

У даному випадку кожен доданок у лівій частині рівняння являє собою кількість теплоти у відсотках стосовно всієї уведеної теплоти Q. Уведену теплоту Q практично визначають за нижчою теплотою згоряння палива. Теплота, що еквівалентна ефективній роботі двигуна за 1 с, дорівнює його ефективної потужності.

Відношення ефективної теплоти до загальної уведеної визначає частку корисно використаної теплоти в двигуні і чисельно дорівнює ефективному ККД h_е.

Теплота, яка сприймається від робочого тіла внутрішніми поверхнями циліндра, виділяється в навколишнє середовище за допомогою газоподібної чи рідкої речовини - охолоджувача.

З усієї кількості теплоти, що віддається охолоджувачу, найбільша частина (до 65%) сприймається стінками циліндра під час процесів згоряння і розширення, а інша - протягом випуску. Теплообмін під час стиску незначний. Тепловіддача від газів у стінки росте зі збільшенням тиску наддуву і зменшується при підвищенні ступеня охолодження повітря після компресора. Таким чином, теплота, що відводиться від двигуна охолоджувачем, включає:

а) теплоту, яка передана від газів стінкам циліндра під час стиску, згоряння, розширення і випуску;

б) теплоту, яка еквівалентна роботі тертя поршня в циліндрі;

в) теплоту, що відводиться від газів після випуску з циліндра у випускному каналі голівки й у випускному патрубку.

Кількість теплоти, що відводиться охолодним середовищем, визначають, вимірюючи кількість охолоджувача, що проходить за одиницю часу через систему охолодження двигуна, і температуру охолоджувача при вході в систему і виході з неї:

Q_в = G_в(t₂ – t₁)с,

де G_в - витрата охолоджувача через систему в кг/год;

t₂, t₁ - температури охолоджувача відповідно на виході з системи охолодження і вході в неї;

с - теплоємність охолоджувача в кДж/(кг×град).

Кількість теплоти, що відводиться маслом, визначають, вимірюючи кількість масла, що проходить за одиницю часу через систему охолодження масла, і температуру масла при вході в систему і виході з неї:

Q_м = G_м(t_2м – t_1м)с_м,

де G_м - витрата масла через систему в кг/год;

t_2м, t_1м - температури масла відповідно при виході з системи охолодження масла і вході в неї;

с_м - теплоємність масла в кДж/(кг×град).

При наявності у випускних газах продуктів неповного згоряння додатково губиться теплота, що не виділилася внаслідок неповноти згоряння палива.

Випускні гази, що виходять із двигуна, мають порівняно високу температуру і несуть значну кількість теплоти Qг. Цю теплоту приблизно визначають як різницю їхньої ентальпії за випускним трубопроводом і ентальпії повітря, що надходить у двигун, тому у величину теплоти, яка мається в розпорядженні, не включають ентальпію повітря. Температуру випускних газів у двигунах без наддуву вимірюють безпосередньо після випускного трубопроводу двигуна, а в комбінованих двигунах - у випускному патрубку газової турбіни.

Залишковий член теплового балансу, який визначається як різниця між підведеною теплотою і сумою визначених складових теплового балансу,

Q_ост = Q - (Q_e+Q_в+Q_г+Q_м).

Залишковий член теплового балансу включає:

1) теплоту, що відповідає роботі тертя, за винятком теплоти, яка віддана охолоджувачу через стінки циліндра чи віднесена оливою і врахована членом балансу Q_В; ця теплота відводиться в навколишнє середовище внаслідок конвекції і теплопровідності від зовнішніх поверхонь двигуна;

2) теплоту, що відповідає кінетичній енергії випускних газів;

3) теплоту, що втрачається внаслідок випромінювання зовнішніми поверхнями двигуна і його агрегатів;

4) невраховані втрати теплоти.

У таблиці 10.1 приведені середні значення окремих складових зовнішнього теплового балансу, віднесених до теплоти, яка введена з паливом при роботі двигуна на номінальному режимі.

Таблиця 10.1 – Зовнішній тепловий баланс двигунів різних типів у %

Тип двигунів	qe	qв	qэ	qн/сгор	qм	qост
Карбюраторні поршневі	22-29 29-42   35-45 40-48	20-35 20-35   10-25 10-18	30-55 25-40   25-45 20-40	0-45 0-5   0-5 0-7	3-8 2-4   3-7 4-8	3-8 2-7   2-7 2-5
Дизелі без наддуву Комбіновані: с помірним наддувом с високим наддувом

 

 

Як видно з таблиці 10.1, 70-55% теплоти, яка введена в двигун, складають теплові втрати – в основному, фізична теплота випускних газів і теплота, що відноситься охолоджувачем. Ступінь використання палива збільшується при утилізації теплових утрат (для автотранспортних засобів це система опалення салону, кабіни, обігріву кузова і т.д.). У комбінованих двигунах частка теплоти, що відводиться охолоджувачем, зменшується до 10-18% і зростає кількість теплоти, яка еквівалентна ефективній роботі двигуна. У карбюраторних двигунах теплота, що відводиться з випускними газами через неповноту згоряння, може досягати 45% (див. таблицю 10.1). Таке недогоряння можливе при роботі двигуна зі зменшеним коефіцієнтом надлишку повітря.

Схема внутрішнього теплового балансу ДВЗ приведена на малюнку 10.1, з якого видно, як формуються складові зовнішнього теплового балансу.

Малюнок 10.1 - Схема теплового балансу двигуна

На схемі позначені:

Q_h - нижча теплота згоряння;

Q_i - тепло, що еквівалентне індикаторній роботі;

Q_e - тепло, що еквівалентне ефективній роботі;

Q_oxл – тепло, яке віднесене охолодним агентом;

Q_газ - тепло, віднесене випускними газами за рахунок підвищення ентальпії відпрацьованих газів;

Q_{п. неп}. - тепло, що втрачається від неповноти згоряння;

q_oct - залишковий член теплового балансу;

Q₁ - тепло, що йде на підігрів свіжого заряду перед циліндром двигуна;

Q₂ - тепло, що йде на підігрів свіжого заряду охолодним агентом;

Q₃ - тепло, що йде на підігрів свіжого заряду випускними газами;

Q₄ - тепло, що віддається газами стінкам циліндра;

Q₅ - тепло, віднесене газами через випускний клапан;

Q₆ - тепло від тертя поршнів о дзеркало циліндра;

Q₇ - тепло, що йде від випускних газів до охолодного агенту;

Q₈ - тепло, що утрачається випромінюванням охолодної системи;

Q₉ - тепло, що утрачається випромінюванням випускної системи;

Q₁₀ - тепло, що еквівалентне кінетичній енергії випускних газів;

Q₁₁ - тепло, що еквівалентне механічним втратам

На малюнку 10.2 показана зміна теплового балансу карбюраторного ДВЗ, на малюнку 10.3 - дизеля при роботі за зовнішньою характеристикою.

Малюнок 10.2 Малюнок 10.3

 

Робота двигуна на часткових режимах приводить до зміни зовнішнього теплового балансу і теплових потоків усередині двигуна.

 

Теплонапруженість деталей

Теплонапруженість деталей двигуна залежить від величини теплового потоку через одиницю площі поверхні чи перетину деталі, її температури, температурного градієнта в стінках і температури поверхонь тертя. Кожний із зазначених параметрів окремо не відбиває теплонапруженості деталі.

Величина теплового потоку залежить від ступеня форсування двигуна, тобто від кількості палива, що спалюється в одиницю об'єму циліндра, і від числа оборотів (частоти підведення теплоти). Тепловий потік, що проходить через різні частини поверхонь деталей двигуна відрізняється, тому температури різних точок деталі неоднакові.

Температура газів у циліндрі циклічно змінюється. Внаслідок цього тепловий потік теж увесь час змінюється. При значному коливанні температури газів у межах одного робочого циклу температура стінки деталі змінюється незначно. У швидкохідних двигунах коливання температури поверхні менше, ніж у тихохідних, внаслідок зменшення часу нагрівання й охолодження деталей. По експеріментальним даним в автомобільних двигунах, що працюють при n = 2000 - 4000 об/хв, температура поверхні поршня коливається в межах ± 2° від середньої. Заміна менш теплопровідного чавуна на більш теплопровідний - алюміній зменшує коливання температури приблизно в 1,4 - 1,6 рази.

Температура поверхні, що стикається з охолоджувачем, практично залишається постійною, а розходження температур за товщиною стінки деталі викликає неоднакове її розширення і визначає температурні напруження в ній. При збільшенні теплового потоку середні температури поверхонь деталі зростають. Підвищення температури стінки можливо до рівня, обумовленого властивостями матеріалу, а в тому випадку, якщо поверхня деталі є поверхнею тертя, то умовами збереження змащення.

Визначити кількість теплоти, що проходить через окремі деталі двигуна (поршень, втулку, клапани і т.п.) з метою визначення їхніх температур і температурних напружень, досить складно. Розмаїтість конструктивних форм деталей і характеру теплообміну між робочим тілом і стінками, далеко не завжди дозволяє врахувати теплові потоки розрахунковим шляхом.

Середня температура поверхні камери згоряння, підрахована по емпіричних залежностях теплообміну від газів до стінки, не характеризує істинної температури, що викликає теплові напруження в деталі. У дійсності деталь руйнується під дією температурних напружень, які викликани місцевим її перегрівом. Для кожного конкретного двигуна найбільше термічно напружені деталі і вузли звичайно виявляються в умовах експлуатації. У цих же умовах аналізом поломок і руйнувань установлюють причини місцевих перегрівів.

Величина теплових потоків, що проходять через деталі двигуна, визначається напруженістю робочого процесу, властивостями матеріалу, товщиною стінок деталі, температурою охолоджувача і швидкістю руху його щодо стінок. Величину теплового потоку через стінки циліндра можна визначити по кількості теплоти, що відводиться охолоджувачем. По експеріментальним даним, частка теплоти, що відводиться з охолоджувачем, для різних двигунів різна і зменшується при збільшенні форсування процесу шляхом підвищення тиску наддуву і збільшенні розмірів циліндра двигуна і складає 0,35-0,10 підведеної теплоти.

Середня величина питомого теплового потоку через стінки циліндра для двигунів різних типів

q = 75 - 300 кДж/(м²×с).

Менші значення відносяться до чотиритактних двигунів без наддуву, а більші - до двотактних форсованих.

Тепловий потік на різних ділянках робочого циліндра неоднаковий. Найбільша кількість теплоти, приблизно до 60%, відводиться через голівку циліндра і приблизно до 40% - через стінки циліндрів і інші деталі двигуна. Найбільше теплонапруженими є ті деталі, яким передається найбільша кількість теплоти - голівка циліндра і деталі, інтенсивне охолодження яких ускладнено (поршень і клапани).

Для того щоб понизити теплонапруженість якої-небудь деталі двигуна, варто зменшити підведення теплоти до неї чи забезпечити більш інтенсивне охолодження стінок, що сприймають теплоту.

Зменшення підведення теплоти до стінок досягається:

1) зниженням середньої температури циклу шляхом охолодження повітря після компресора;

2) скороченням часу згоряння палива;

3) застосуванням спеціальних теплозахисних покрить поверхонь деталей (наприклад, днища поршня).

Інтенсифікація охолодження може бути здійснена:

1) збільшенням активної поверхні охолодження;

2) збільшенням швидкості руху охолоджувача щодо стінки;

3) продувкою камери згоряння, що зменшує температуру внутрішніх поверхонь стінок циліндра;

4) охолодженням поршня.

У неохолоджуваному поршні тепловий потік від його днища спрямований до кілець і юбки і далі до стінок циліндра. Лише незначна частина теплоти передається через бобишки поршня пальцю і через нього - тілу шатуна.

Значна кількість теплоти підводиться до клапанів, від яких вона відводиться через стержні до направляючих і сідел. Внаслідок того, що відвід теплоти від клапанів дуже ускладнений, теплонапруженість їх, особливо випускних, дуже велика. Для збільшення тепловідвода застосовують пустотілі клапани, заповнені легкоплавким металом (натрієм). При нагріванні натрій розплавляється і під час руху клапана переміщається усередині його стержня, переносячи теплоту від голівки клапана до стержня. До ефективних засобів охолодження клапанів відноситься продувка циліндра.

Днище кришки, як і днище поршня, під час роботи двигуна увесь час стикається з робочим тілом. Крім того, через кришку проходить випускний патрубок, що нагрівається випускними газами. У результаті нагрівання днища кришки з'являються температурні напруження, що сумуються з напруженнями від підвищення тиску в циліндрі. У випадку товстої стінки днища кришки вигинаючі напруження зменшуються, а температурні збільшуються. Велика частина тріщин, виявлених в аварійних двигунах, з'являється внаслідок спільної дії вигинаючих і температурних напружень. Найбільше часто тріщини утворяться біля перемичок між клапанами, де днище кришки важко остудити і де встановлюється найбільш висока температура. Вирівнюючи температурне поле днища кришки за допомогою спрямованих потоків охолоджувача, можна знизити температурні напруги.