Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания

- испаряемость - способность переходить в парообразное состояние, характеризуется фракционным составом;

- вязкость влияет на процессы распыливания и топливоподачи;

- детонационная стойкость влияет на нормальное распределение пламени при сгорании. Работа двигателя на детонационном режиме недопустима вследствие перегрева двигателя, падения мощности, прогорания поршней, клапанов. Детонационная стойкость бензина характеризуется октановым числом, т.е. процентным по объему содержанием изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна данному топливу. Так, если исследуемое топливо детонирует так же, как смесь, содержащая 70% изооктана и 30% нормального гептана, то октановое число такого топлива = 70;

- склонность к воспламенению. Воспламеняемость дизельных топлив зависит от группового химического состава;

- примеси. Топливо не должно содержать механические примеси, воду, корродирующие вещества;

- температуру кристаллизации.

Одной из наиболее важных технических характеристик топлива является теплота сгорания.

Теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 нм3 газообразного топлива. На практике теплоту сгорания топлива определяют методом калориметрирования. В закрытом сосуде сжигают определенное количество топлива. Теплота сгоревшего топлива через стенки сосуда передается воде. Зная это количество воды, окружающей сосуд, теплоемкость сосуда и разность температур воды до и после опыта, определяют теплоту сгорания топлива.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Теплота сгорания высшая больше, чем теплота сгорания низшая на количество теплоты, которое затрачивается на испарение влаги рабочей массы топлива и влаги, получаемой при сгорании водорода, входящего в состав топлива.

Высшая теплота сгорания определяется по формуле Менлелеева

Qsaf=81С + 300Н ? 26(О-S),

где С, Н, О, S -- массовая доля элементов в веществе ТГИ, %

Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

(для твердого вещества)

или

(для жидкого вещества), где:

* 2514 -- теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;

* HP и WP -- содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

* 9 -- коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Соотношение между теплотой сгорания высшей и низшей в кДж/кг

Для удобства расчетов и сравнения теплоты сгорания различных видов топлива пользуются понятием условное топливо. Теплота сгорания условного топлива составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета расходов натурального топлива на условное служит тепловой эквивалент топлива

,

где Ву и Вр -- расходы соответственно условного и рабочего (натурального) топлива; Э -- тепловой эквивалент топлива,

,

Или

Газообразное топливо представляет собой смесь различных газов. Природные газы содержат от 80 до 98% метана. Попутные газы, выходящие на поверхность из нефтяных скважин одновременно с добываемой нефтью, состоят из метана (40--60%) и тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана). Теплота сгорания природного газа , попутного .

Из искусственных газов наибольшее распространение получили генераторный газ , коксовой с и доменный с .

2.3 Двухтактные двигатели

ДВС, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), называется двухтактными.

В двухтактном двигателе отсутствуют клапаны. Впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов двигателей происходят через окна в цилиндре, которые своевременно открываются и закрываются движущимся поршнем.

Первый такт. При движении вверх поршень 2 (рис. 3.а) перекрывает выпускные окна 3 в цилиндре, в результате чего рабочая смесь над поршнем сжимается. Одновременно под поршнем создается разряжение, и из карбюратора 4 через выпускные окна 5 цилиндра горючая смесь засасывается в кривошипную камеру 6.

При подходе поршня к верхней мертвой точке (в.м.т.) в искровой свече зажигания 1 (рис. 3.б) образуется электрическая искра и рабочая смесь в цилиндре воспламеняется. На этом заканчивается первый такт.

Второй такт. Под давлением образовавшихся от сгорания рабочей смеси газов поршень перемещается вниз, совершая рабочий ход, который происходит до тех пор, пока не откроются выпускные клапана и начнется выпуск отработавших газов через выпускную трубу наружу. При движении поршня вниз горючая смесь в кривошипной камере сжимается. В конце второго такта поршень открывает окна продувочного канала 7 и горючая смесь нагнетается из кривошипной камеры в цилиндр, вытесняя из него отработавшие газы (рис. 3.в). происходят продувка и одновременно наполнение цилиндра свежей горючей смесью. При этом горючая смесь частично выходит вместе с отработавшими газами.

Рис.3. Схема работы двухтактного двигателя: а - первый такт; б - конец первого и начало второго такта; в - конец второго такта; 1 - искровая свеча зажигания; 2 - поршень; 3 и 5 - выпускное и впускное окна цилиндра; 4 - карбюратор; 6 - кривошипная камера; 7 - продувочный канал; 8 - цилиндр; 9 - выпускная труба; 10 - картер.

Таким образом, за два хода поршня (два такта) совершается полный рабочий цикл. Однако двухтактные двигатели менее экономичны, чем четырехтактные. При продувке через выпускные окна теряется 30% горючей смеси. Поэтому на тракторах их используют при кратковременной работе для пуска двигателя.

3. ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

3.1 Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность

Индикаторная мощность двигателя, полезная работа, совершаемая газами в цилиндре поршневого двигателя в единицу времени; определяется путём обработки индикаторных диаграмм, полученных при испытании двигателя. Индикаторная мощность данного двигателя различна на разных режимах его работы. Зависимость Индикаторная мощность от частоты вращения называется скоростной характеристикой. Чтобы построить скоростную характеристику Индикаторная мощность, снимают индикаторные диаграммы на различных частотах вращения. Путём планиметрирования площадей полученных диаграмм определяют Индикаторная мощность на данной частоте вращения. Индикаторная мощность частично расходуется на преодоление сил трения внутри двигателя и на приведение в действие вспомогательных механизмов. Индикаторная мощность может быть определена как сумма мощности, получаемой на коленчатом валу (эффективная мощность), и мощности, расходуемой на потери (мощность трения).

Под средним индикаторным давлением понимают такое условное постоянное давление, которое, действуя на поршень в течение одного рабочего хода, совершает работу, равную индикаторной работе газов в цилиндре за рабочий цикл.

Согласно определению среднее индикаторное давление находится как отношение индикаторной работы газов за цикл к единице рабочего объема цилиндра , т.е.

.

При наличии индикаторной диаграммы, снятой в двигателе (рис. 4), среднее индикаторное давление можно определить по высоте прямоугольника, построенного на основании , площадь которого равна полезной площади индикаторной диаграммы, представляющей собой в некотором масштабе индикаторную работу .

Определив с помощью планиметра полезную площадь индикаторной диаграммы в и длину индикаторной диаграммы в , соответствующую рабочему объему цилиндра, находят значение среднего индикаторного давления

,

где - масштаб давления индикаторной диаграммы, .

Среднее индикаторное давление при полной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателей , у четырехтактных дизелей , а у двухтактных дизелей - .

Индикаторная работа, совершаемая газами в одном цилиндре за один цикл ,

.

где pi - среднее индикаторное давление газов, н/м2;

V - объем поршня, м2.

Так как число рабочих циклов, совершаемых двигателем в секунду, равно 2 , то индикаторная мощность одного цилиндра

,

где - число оборотов коленчатого вала в секунду; - тактность двигателя - число тактов за цикл.

Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя при числе цилиндров :

.

3.2 Коэффициенты полезного действия

Экономичность действительного рабочего цикла двигателя определяется индикаторным к.п.д. и удельным индикаторным расходом топлива . Экономичность работы двигателя в целом оценивается эффективным к.п.д. и удельным расходом топлива .

Индикаторный к.п.д. оценивает степень использования теплоты в действительном цикле с учетом всех тепловых потерь и представляет собой отношение теплоты , эквивалентной полезной индикаторной работе, ко всей затраченной теплоте , т.е.

.

Теплота, затраченная на работу двигателя в течение 1 :

,

где - расход топлива, ; - низшая теплота сгорания топлива, .

Подставляя значения и в равенство (а), получим

.

Эффективный к.п.д. оценивает степень использования теплоты топлива с учетом всех видов потерь как тепловых, так и механических и представляет собой отношение теплоты , эквивалентной полезной эффективной работе, ко всей затраченной теплоте ,т.е.

.

Удельный эффективный расход топлива представляет собой отношение секундного расхода топлива к эффективной мощности , т.е.

или

.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

,

Где Wтм -- механическая работа, Дж;

Qз -- затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

Так как механический к.п.д. равен отношению к , то получим

откуда

,

где - механический к.п.д.

3.3 Повышение удельной мощности двигателей

Увеличение быстроходности (повышение) пропорционально увеличивает удельную мощность до тех пор, пока не снижаются. Дальнейший прирост мощности при повышении частоты вращения идет до такого уровня, пока увеличивается произведение , несмотря на снижение коэффициента наполнения и механического КПД. Проблем, ограничивающих быстроходность современных карбюраторных двигателей из-за увеличения скорости горения, практически нет. При достижении некоторого, специфичного для каждого двигателя, режима (точки перегиба) максимальная мощность начинает снижаться, т. е. повышение числа оборотов не успевает компенсировать рост сопротивлений и ухудшение наполнения цилиндра. Как уже отмечалось, все конструктивные мероприятия, направленные на улучшение теплоиспользования, снижение механических и насосных потерь, увеличение наполнения цилиндра способствуют повышению скоростного режима двигателя, отодвигают точку перегиба внешней скоростной характеристики в сторону высоких чисел оборотов, что позволяет получить более высокие удельные мощности. Увеличению быстроходности двигателя препятствуют факторы предельно допустимой средней скорости и ускорений поршня, обеспечения надежности работы шатунных подшипников, поршневых колец и др. Максимальная частота вращения коленчатых валов современных гоночных двигателей находится в пределах 8000--20 000 об/мин. Однако средняя скорость поршня не превышает 22 м/с. Это достигается за счет уменьшения размерностей отдельного цилиндра и создания многоцилиндровых двигателей. Высокие ускорения поршня нередко вызывают вибрацию поршневых колец, прорыв газов под ними и даже их поломку. Для повышения надежности на гоночных двигателях применяют узкие стальные поршневые кольца. Хорошо подготовленный мотор должен выдерживать работу на скоростном режиме, соответствующем максимальной мощности, в течение нескольких часов без каких-либо повреждений. Диапазон рабочих частот вращения обычно является критерием для оценки внешней скоростной характеристики двтгателя. Границы этого диапазона определяют скорость вращения коленчатого вала при максимальной мощности (n точка перегиба) и минимальная угловая скорость n min, при которой двигатель еще устойчиво работает на полностью открытом дросселе. Рабочий диапазон оборотов коленчатого вала двигателя можно оценить коэффициентом диапазона d: Для большинства современных гоночных двигателей коэффициент диапазона находится в пределах 0,35--0,40. У некоторых высокофорсированных двигателей этот коэффициент снижается до 0,1 , и они по своим качествам приближаются к однорежимным моторам. Многие форсированные ДВС имеют внешние характеристики с крутым перегибом Nm и резким спадом мощности после точки перегиба, кроме того, работают в этом режиме с очень высокими механическими и тепловыми перегрузками. Такие двигатели отличаются малыми моторесурсом и надежностью в эксплуатации. Если кривая мощностной характеристики имеет плавный перегиб и постепенное снижение мощности после точки перегиба, то в определенных случаях целесообразно эксплуатировать двигатель именно в этом диапазоне частот вращения.

Способность продолжительно работать на высоком числе оборотов за перегибом характеристики является важным качеством двигателя в водно-моторном спорте. В режиме движения судна с полным отрывом корпуса от воды действует экранный эффект. Сопротивление выступающих частей и полное сопротивление движению резко снижается. В этом случае дальнейший прирост скорости судна возможен благодаря увеличению частоты вращения коленчатого вала даже при снижении мощности двигателя и уменьшении тяги гребного винта. Одним из трудных вопросов при повышении быстроходности двухтактного двигателя является обеспечение надежной работы нижнего шатунного подшипника, воспринимающего большее перегрузки от давления и центробежных сил, которые нельзя компенсировать облегчением поршня и шатуна. В отличие от четырехтактных ДВС здесь не удается осуществить достаточное охлаждение и смазку прокачкой большого количества масла. Охлаждение и смазка этого напряженного узла производится проходящей через картер топливной смесью. Поэтому шатунные подрипники надежно работают на обогащенных смесях с высокой скрытой теплотой испарения и повышенным содержанием смазочного масла.

5) Форсирование двигателя внутреннего сгорания путем применения топлив с высокой теплотворной способностью (повышение ) практически неосуществимо. Несмотря на большое разнообразие углеводородных топлив с теплотворной способностью, их объемная теплопроизводительность почти одинакова (820--840 ккал/м3 при). Объясняется это тем, что для полного окисления топлива с малой теплотворной способностью требуется меньшее количество воздуха. Как известно, мощность двигателя определяется количеством топливовоздушной смеси, сжигаемой в цилиндрах за единицу времени, и степенью теплоиспользования. Для топлив гоночных двигателей важнейшими качествами являются: а) антидетонационная стойкость; б) испаряемость (летучесть); в) скрытая теплота испарения. При выборе антидетонационных качеств топливной смеси следует учитывать, что необходимое октановое число топлива для любого двигателя -- величина непостоянная. При увеличении частоты вращения коэффициент наполнения и давление конца сжатия снижаются, требуемая антидетонационная стойкость уменьшается. Именно поэтому у быстроходных гоночных Характеристика моторных топлив двигателей не очень высокая требовательность к октановому числу топлива, несмотря на высокие степени сжатия. При обогащении рабочей смеси углеводородные топлива в различной степень повышают свое октановое число. Высокая испаряемость ускоряет процесс смесеобразования, т. е. перемешивание топлива с воздухом, облегчает пуск двигателя, обеспечивает полноту сгорания циклового заряда. Если нет ограничений Правилами или Положением о соревнованиях, в гонках на короткие дистанции (5--15 миль) следует отдать предпочтение спиртовым топливам. Их высокая скрытая теплота парообразования и повышенная масса циклового заряда обеспечивают эффективное охлаждающее действие наиболее нагретых деталей: дна поршня, клапанов и шатунных подшипников, а также снижает температуру горючей смеси в конце хода сжатия перед воспламенением. Охлаждающий эффект можно усилить конструктивно -- максимальным приближением распылителя к впускному окну (клапану). Тогда процесс испарения почти полностью протекает в кривошипно-шатунной камере и цилиндре, отбирая тепло от внутренних наиболее горячих деталей. Отсутствие испарения во впускном патрубке позволяет пропустить дополнительную порцию воздуха, заполняющую объем неиспаренной части топлива. Повышение коэффициента наполнения и плотности заряда при использовании спиртовых топлив называют компрессорным эффектом. Лабораторными исследованиями определено, что без каких-либо конструктивных изменений при переходе с бензина на спиртовое топливо прирост мощности составляет 5-8%. Еще одним достоинством спирта является его способность надежно воспламеняться от электрической искры в широком диапазоне изменений состава топливной смеси. Пределы воспламеняемости спиртовых топлив составляют против для бензина, причем скорость горения спиртовых смесей почти не снижается во всем диапазоне воспламеняемости. Для повышения надежности воспламенения иногда применяют следующий прием. Карбюраторы регулируют на обогащенную смесь. При этом двигатель может устойчиво работать, разбивая обороты, близкие к максимальным. Не полностью сгоревшая часть топлива выбрасывается с отработавшими газами. Такой режим работы обеспечивает значительное снижение тепловой напряженности двигателя, существенное повышение надежности, улучшение антидетонационной стойкости без увеличения октанового числа топлива. Подобная настройка двигателя на бензине невозможна из-за обильного нагарообразования и малой скорости горения богатой бензовоздушной топливной смеси. Таким образом, применение спиртовых топлив несколько усложняет пуск, но повышает максимальную мощность и надежность работы гоночных двигателей. Небольшие добавки бензина и ацетона к спиртовым топливным смесям служат для улучшения пуска двигателя. Современные гоночные моторы оснащаются мощными, надежными, чаще всего электронными, системами зажигания, что позволяет использовать спирты (метанол и этанол) без улучшающих пуск присадок. Значительное увеличение удельной мощности интенсификацией рабочего процесса можно получить, включая в состав топлива азотистые соединения, например нитрометан и нитробензол. Форсирующий эффект этих топлив состоит в том, что появляется возможность окислить дополнительное количество топлива за счет кислорода молекулы NO. Добавляя азотистые присадки к топливу, следует всегда помнить, что сгорание таких смесей идет при повышенных температуре и давлении, а это существенно снижает надежность и моторесурс. Малейший просчет в регулировке может оказаться причиной неудачи. Обеднение смеси вызывает прогар поршней. Избыток нитросоединений может привести к обгоранию клапанов и электродов запальных свечей, поломкам деталей кривошипно-шатунного механизма. После работы на топливе, содержащем нитроприсадки, двигатель требует незамедлительной промывки. В качестве смазок гоночных двигателей внутреннего сгорания наибольшее применение имеют касторовое масло и комбинированные смазки на его основе. Такие масла обладают очень высокими смазывающими качествами, проникают в малейшие зазоры, выдерживают большие давления и температуры, имеют минимальную склонность к нагарообразованию (практически беззольные).



4. ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

4.1 Особенности и применение

Двигателям, работающим по циклу с подводом теплоты при Р=const, соответствуют стационарные и судовые компрессорные дизельные двигатели с распыливанием жидкого топлива в цилиндре двигателя при помощи сжатого в специальном компрессоре воздуха, которые имеют значения

Страницы: 1, 2, 3, 4