Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов. Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности

• Название: Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности
• Анкор: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 5.99 Mb.
• Имя файла: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Тип: Лекции; #2019
• страница: 9 из 20

Влияние различных факторов на тепловой баланс двигателя

На распределение теплоты в двигателе оказывают влияние такие факторы как частота вращения коленчатого вала, нагрузка, состав смеси, угол опережения зажигания.

Частота вращения коленчатого вала. Сростом частоты враще­ния коленчатого вала абсолютные величины всех составляющих теплового баланса увеличиваются, так как в двигатель за единицу времени поступает большее количество теплоты. Изменение отно­сительных величин теплового баланса в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (рис. 6.4).



Рис. 6.4. Влияние частоты вращения коленчатого вала на составляющие теплового баланса: а - изменение абсолютных значений; б - изменение относительных величин
С увеличением частоты вращения коленчатого вала величин q_охлуменьшается, так как время на теплоотдачу в систему охлаждения сокращается.

Значения q_едостигают максимума при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей минимальному удельному расходу топлива.

Величина q_гувеличивается с ростом частоты вращения коленчатого вала, так как при этом растет температура отработавших газ и недогорание топлива.

Потери на неполноту сгорания q_нсостаются почти постоянными, что объясняется примерно одинаковым составом смеси по всему диапазону частоты вращения коленчатого вала.

Нагрузка. С увеличением нагрузки значение q_еувеличивается максимума, когда произведение η_і·η_м принимает наибольшее значение. Дальнейшее уменьшение q_есвязано с обогащением смеси полных нагрузках, при этом возрастает доля q_нс(рис. 6.5).

Наибольшие потери теплоты в охлаждающую среду наблюдаются на холостом ходу, так как на этом режиме вся выделенная теплота идет на совершение работы по преодолению сил трения в двигателе и нагрев окружающей среды. С увеличением нагрузки возрастает и q_гв связи с ростом температуры и теплосодержания отработавших газов.

Потеря теплоты вследствие неполноты сгорания топлива имеет место при малых нагрузках, когда включается система холостого хода карбюратора, а также на пол­ых и близких к ним нагрузках, когда происходит обогащение смеси экономайзером.



а) б)

Рис. 6.5. Влияние нагрузки на составляющие теплового баланса: а— изменение абсолютных значений; б — изменение относительных величин



Рис. 6.6. Влияние угла опережения зажигания на составляющие теплового баланса двигателя
Угол опережения зажигания. Наибольшие значения q_есоответстуют оптимальному значению угла пережения зажигания (рис. 6.6). Потери теплоты в систему охлаждения возрастают как при раннем, так и при позднем зажигании, так как сгорание в этих случаях происходит в невыгодных условиях. При позднем зажигании возрастают потери теплоты с отработавшими газами, так как догорание происходит уже в стадии процесса расширения. На потери, связанные с неполнотой сгорания, угол опережения зажигания влияния не оказывает, так как коэффициент избытка воздуха остается при этом неизменным.

Состав горючей смеси. При экономичном составе смеси, когда α равно 1,05-1,1, значения q_естановятся максимальными (рис. 6.7). Потери q_охл возрастают при отклонениях в обе стороны от значений α. Равных 0,8-0,9, что объясняется увеличением времени сгорания в обоих случаях. Потери q_гувеличиваются с изменением коэффициента избытка воздуха аналогично q_охл из-за увеличения температуры газов при замедлении скорости сгорания.

Кроме того, при α >1 растают значения q_гиз-за роста тепловых потерь с излишним воздухом, участвующим в сгорании.


Рис. 6.7. Влияние состава смеси на составляющие теплового баланса:

а - изменение абсолютных значений; б - изменение относительных величин
Контрольные вопросы.
1. Что характеризуют индикаторные, механические и эффективные показатели двигателя?

2. Как изменяются индикаторные и механические показатели по нагрузочной характеристике дизеля?

3. Как изменяются индикаторные и механические показатели по нагрузочной характеристике двигателя с искровым зажиганием?

4. Как изменяются индикаторные и механические показатели по скоростной характеристике двигателя?

5. Как и почему изменяться индикаторные и механические показатели двигателя в процессе его эксплуатации?

Лекция 7. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

1. Характеристики энергетических установок.

2. Виды характеристик поршневых ДВС.

2.1. Регулировочные характеристики

2.2. Нагрузочные характеристики

2.3. Скоростные характеристики

3. Способы повышения мощности двигателя.
1. Характеристики энергетических установок.
Автомобильные двигатели работают в широком диапазоне измене­ния скоростных и нагрузочных режимов.

Режим работы двигателя - это его состояние, характеризующе­еся совокупностью показателей.

Основными показателями, определяющими рабочий режим, яв­ляются частота вращения коленчатого вала, нагрузка на двигатель и температура. Если значения этих показателей в процессе работы двигателя остаются неизменными, режим называется установив­шимся. В случае изменения хотя бы одного из них режим считается неустановившимся.

Характеристикой двигателя называется совокупность зависимо­стей основных показателей его работы от эксплуатационных, конст­руктивных и других факторов.

Характеристики двигателя определяют его эксплуатационные качества, уровень технического совершенства, правильность регули­ровок, а также его назначение.

Характеристики двигателя определяются, как правило, на уста­новившихся режимах, несмотря на то, что в реальных условиях двигатели работают при их непрерывном изменении, так как учесть одновременное влияние всех факторов на работу двигателя затруд­нительно. Поэтому характеристики получают на специально обору­дованных испытательных стендах, где возможно исследование раз­личных показателей в зависимости от изменения одного фактора.

Основными показателями работы двигателя являются эффек­тивная мощность N_е,крутящий момент М_к, часовой расход топлива G_т и удельный эффективный расход топлива g_e.

В зависимости от параметра, принимаемого в качестве незави­симой переменной, различают три основные группы характеристик: скоростные, нагрузочные и регулировочные.

Наиболее значимыми являются нагрузочные и скоростные ха­рактеристики, позволяющие оценить экономические и мощностные качества двигателей на различных режимах работы.

Так как основные показатели работы двигателей зависят от од­них и тех же параметров цикла, а именно от η_υ, α, η_i, η_м, то характе­ристики являются наиболее наглядным средством анализа рабочего процесса двигателя.

Общая методика исследования рабочих характеристик двигателя предусматривает следующие направления работы:

• определение цели получения характеристики;

• определение условий получения характеристики;

• изменение основных параметров цикла в зависимости от ар­гумента характеристики;

• изменение показателей работы двигателя:

• практическое использование полученной характеристики.

Показатели работы двигателя изменяются в соответствии с из­менением основных параметров цикла:

(7.1)

(7.2)

(7.3)

(7.4)

(7.5)

Очевидно, что V_h, Н_и, l₀ и ρ величины постоянные. Следователь­но, в зависимости от того, как в процессе работы двигателя будут меняться величины η_i, η_υ, η_м, αи п, так и будут изменяться показа­тели его работы.
2. Виды характеристик поршневых ДВС.

2.1. Регулировочные характеристики представляют собой зависи­мости основных показателей двигателя от значения одного или нескольких из регулировочных параметров при постоянной часто­те вращения коленчатого вала.

Регулировочные характеристики получают для ряда скорост­ных и нагрузочных режимов с целью оценить качество рабочего процесса и определить предельные мощностные, экономические и экологические показатели двигателя на исследуемых режимах, выбрать и оценить регулировочные параметры систем двигателя, определить характер их изменения на различных режимах.

Регулировочная характеристика двигателя с искровым зажига­нием по составу смеси представляет собой зависимость основных показателей двигателя от состава смеси. Она определяется при постоянстве скоростного режима работы двигателя и ряда других факторов, а также при оптимальных для мощности N_е значениях угла опережения зажигания (φ_о.з. = φ_{о.з. опт}) для каждого состава смеси. Возможны три способа ее получения:

• при постоянном положении дроссельной заслонки (φ_др = соnst), что обеспечивает примерное постоянство расхода воздуха (G_в = соnst); способ достаточно прост и на режимах полных нагрузок пригоден только он;

• при постоянной мощности двигателя (N_e = соnst); способ явля­ется более правильным, так как для движения автомобиля в кон­кретных условиях необходима постоянная мощность; используют для режимов холостого хода;

• при постоянном расходе топлива (G_Т - соnst); способ применяют при испытании двигателя с системами впрыскивания топлива.

На средних нагрузках могут использоваться все три способа.
При снятии характеристик переменные значения коэффици­ента избытка воздуха α получают изменением расхода топлива. В карбюраторных двигателях для этого изменяют давление в по­плавковой камере карбюратора или проходное сечение главного топливного жиклера (конусной иглой), а в двигателях с впрыски­ванием бензина и электронным управлением — длительность уп­равляющего импульса форсунки.

Характеристика, снятая при постоянном положении дроссель­ной заслонки (первый способ), показывает (рис. 7.1, а), что мак­симум мощности (N_{e max}) и минимум удельного расхода топлива


Рис. 7.1. Регулировочные характеристики двигателя с искровым зажиганием по составу смеси: а — при постоянном положении дроссельной заслонки (η_V = соnst; φ_др = 100%, n = 2000 мин^-1); б — при постоянной мощности (N_e = 15,7 кВт, п = 2000 мин^-1) (g_{e min}) достигаются при различных составах смеси: мощностном (α_м < 1 — богатая смесь) и экономическом (α_эк > 1 — бедная смесь).
Мощность двигателя N_е пропорциональна отношению η_Vη_i/α. На полной нагрузке и η_V = соnst отношение η_i/α достигает макси­мума при некотором обогащении смеси (α= α_м), поэтому все дру­гие энергетические показатели (p_i, p_e, M_K, N_e) также максималь­ны. Это объясняется тем, что скорость сгорания, выделение теп­лоты и превращение ее в индикаторную работу из-за неоднород­ного перемешивания смеси достигают максимальных значений только при несколько обогащенной смеси.

При снижении α ниже α_м N_e уменьшается из-за резкого ухуд­шения процесса сгорания при недостатке кислорода и снижения η_M .

Индикаторный КПД η_i достигает максимального значения при обеднении смеси до определенного α_{ηi max}, который соответствует оптимальному сочетанию полноты и скорости сгорания, а также теплоемкости отработавших газов.

При дальнейшем обеднении смеси ухудшаются условия вос­пламенения и уменьшается скорость сгорания, снижается η_i и уве­личивается g_e. Так как при этом уменьшается η_M , тo α_эк , соответ­ствующий g_{e min}, несколько меньше α_{ηi max}.

При большом обеднении смеси работа двигателя становится неустойчивой, вплоть до пропусков сгорания в отдельных циклах и цилиндрах.

Следовательно, зона рациональных регулировок должна находится в пределах между α_м и α_эк. При полной нагрузке состав смеси устанавливают беднее α_м, что способствует повышению экономичности до 10% при небольшом снижении мощности (на 1...2%). На частичных нагрузках состав смеси делают несколько богаче α_эк, что обеспечивает надежную работу двигателя и допустимое ухудшение экономичности при обеднении смеси в эксплуатации, понижении температуры воздуха, технологических отклонениях и т.п.

Уменьшение нагрузки и частоты вращения вызывает сужение зоны реглирования и смешение ее (уменьшение α) в область более богатых смесей. При снижении частоты вращения это обусловлено ухудшением смесеобразования во впускном трубопроводе и снижением турбулизации заряда в цилиндре. При снижении нагрузки прикрытием дроссельной заслонки ухудшаются условия воспламенения и сгорания из-за снижения Т и р в цилиндре, а также увеличения разбавления зарда остаточными газами.

У современных бензиновых двигателей α_эк изменяется от 1,1...1,3 при полной нагрузке до 0,9...1,0 при прикрытой дроссельной заслонке.

При выборе регуировачных параметров системы питания также учитывают норсы на выброс токсичных веществ. Их изменение по данной характеристике представлено на рис.6.2.

На рис,7.1, б представлена регулировачная характеристика по составу смеси при постоянной мощности.

Регулировачная характеристика по углу опережения зажигания представляет собой зависимость основных показателей двигателя от угла опережения зажигания φ_о.з. при постоянной частоте вращения коленчатого вала и постоянном положении дроссельной заслонки (φ_др=const), что предопределяет постоянство наполнения двигателя и состава смеси.

Максимум N_е и минимум g_е для рассматриваемого режима работы двигател достигаются при одном и том же значении угла опережения зажигания, который нзыается оптимальным (φ_о.з.опт) (рис,7.2, а) При постоянстве часового расхода топлива G_т это следует из зависимости g_е= (G_т/N_е)· 10³.

Угол опережения зажигания определяет момент подвода теплоты, выделяющейся при сгорании, относительно ВМТ. Слишком ранний и слишком поздний подвод теплоты не обеспечивает ее полное использование.

При раннем зажигании (φ_о.з. >φ_о.з.опт) теплота начинает активно выделяться до ВМТ. Поэтому повышаются р_z и Т_z цикла (рис,7.2,б), что приводит к росту утечек рабочего тела через кольца, повышению потери теплоты в стенки и, следовательно, к уменьшению индикаторной работы, увеличивается склонность двигателя к детонации, возрастает концентрация NO_х. Температура отработавших газов Т_r при этом снижается.

При позднем зажигании (φ_о.з. < φ_о.з.опт) значительная часть теплоты выделяется после ВМТ. Это приводит к росту температуры рабочего тела в проуессе расширения и к повышению потерь теплоты с отработавшими газами.

Угол опережения зажигания существенно влияет на токсичность, мощность и экономичность двигателя. Угол φ_о.з.опт зависит от режима работы двигателя.

При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя возрастает длительность первой фазы сгорания, выраженной в градусах ПКВ. Поэтому для сохранения оптимального положения второй фазы сгорания относительно ВМТ угол опережения зажигания следует увеличивать.

Уменьшение нагрзки прикрытием дроссельной заслонки ухудшает условия воспламенения смеси в связи со снижением давления в цилиндре в конце сжатия, повышением доли отработавших газов в рабочей смеси, уменьшением турбулизации заряда и снижением энергии искрового разяда. Вследствии этого также возрастает длительность начальной фазы сгорания, что требует увели­чения угла опережения зажигания.

Угол опережения зажигания иногда специально делают мень­ше φ_о.з.опт для снижения N0_х или для подавления детонации.



Рис.7.2. Регулировачная характеристика двигателя с искровым зажиганием по углу опережения зажигания (а) и индикаторные диаграммы (б) при раннем, оптимальном и позднем зажигании
Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыс­кивания топлива является зависимостью основных показателей дизеля от угла опережения впрыскивания φ_о.вп при постоянной частоте вращения коленчатого вала и постоянной цикловой подаче топлива, что предопределяет постоянство наполнения и состава смеси.

Характер изменения основных параметров по углу опережения впрыскивания дизеля подобен их изменению в характеристике по углу опережения зажигания. Для снижения тепловых и механи­ческих нагрузок, как правило, φ_о.вп < φ_{о.вп.опт}.