Энергетический баланс и экономико
advertisement
Лекция № 2 2.1 Энергетический баланс и экономикоэнергетические показатели ДВС Энергетический баланс, приведенный на рис. 2.1, показывает, как энергия, которая выделяется при полном сгорании всего поданного в двигателя топлива за цикл его работы Q1 , разделяется на полезную (эффективную) работу Lе и на основные виды потерь (тепловые Qпот и механические Qмех): Q1 L e Q пот Q мех L i Q пот L e Q охл Q ог Q нс Q м Q ост Q го Q в Q тр Рис. 2.1. Энергетический баланс ДВС Если при совершении одного цикла двигателя в цилиндр подается qц топлива, то Q1 qц Н и , где Ни - низшая теплота сгорания. Часть теплоты Q1 идет на совершение индикаторной работы цикла Li , которая представляет собой избыточную работу, получаемую за такты сжатия и расширения (рис. 2.2): Li L p Lсж и представляется на индикаторной диаграмме заштрихованной площадью. Величина pi Li / Vh представляет индикаторную работу цикла, снимаемую с единицы рабочего объема, называется средним давлением. индикаторным Рис. 2.2. К определению индикаторной работы цикла Экономичность действительного цикла оценивается индикаторным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной в цикл с топливом Q1, преобразуется в индикаторную работу i Li / Q1. Этот показатель характеризует уровень тепловых потерь в двигателе. . i 1 Qпот / Q1 1 Qохл Qог Qнс / Q1 Возрастание любого вида потерь теплоты вызывает уменьшение i Индикаторная работа, получаемая за 1 с, называется индикаторной мощностью Ni = Li /tц. Здесь tц - время реализации одного рабочего Если частота вращения коленчатого вала двигателя n, мин-1 то величина обратная (1/n) - время одного оборота в минутах и 60/n - в секундах. В этом случае tц =(60/n) 0,5 где — коэффициент тактности, равный двум для двух- и четырем для четырехтактных двигателей. С учетом того, что Li = pi Vh , при количестве цилиндров двигателя I, мощность Ni , (кВт) равна N i pi niVh / 30 Для оценки экономичности двигателя применяется удельный индикаторный расходом топлива gi , показывающий, какое количество топлива расходует двигатель на производство единицы индикаторной работы: gi Gт 10 3 , Ni где gi в г/(кВтч) , если Gт в кг/ч, а Ni в кВт. Индикаторная работа идет на преодоление внешней нагрузки, где совершает полезную работу Lе , и на преодоление потерь внутри двигателя Lмп , состоящие из потерь работы на трение Lтр , на реализацию процессов газообмена Lго , на привод вспомогательных агрегатов и механизмов Lв, (масляный и водяной насосы, топливоподающая аппаратура дизелей и т. д.). Уровень механических потерь в двигателе оценивается механическим КПД м , показывающим, какая доля индикаторной преобразуетсяэффективную: в м Lе / Li Общие потери в двигателе оцениваются эффективным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной с топливом, в эффективную работу преобразуется е Le / Q1 Liм / Q1 iм N e pe niVh / 30 Здесь pе= Lе/Vh — , среднее эффективное давление (параметр, аналогичный рi). Эффективный крутящий момент двигателя Мкр , пропорционален pт.е е. , М кр реiVh / cpe . Удельный эффективный расход топлива ge , показывающий , какое количество топлива расходуется на производство единицы эффективной работы: ge Gт / Ne 103 Все одноименные индикаторные и эффективные показатели связаны между собой механическим КПД: м Le / Li N e / Ni pe / pi gi / g e Характеристика ДВС зависимость (как правило, графическая) показателей двигателя от режима работы или от параметров, связанных с регулировкой его основных систем. Служит для оценки эффективности работы ДВС. Режимы работы двигателя определяются нагрузкой Ре , Nе и частотой вращения коленчатого вала п. Зависимости показателей работы двигателя от n при неизменном положении органа управления (дроссельной заслонкой — для карбюраторного двигателя с искровым зажиганием, регулятором — для дизеля), называют скоростными характеристиками. Если положение органа управления соответствует максимальной подаче топлива или горючей смеси, то такая скоростная характеристика носит название внешней. Характеристику, полученную при работе двигателя с любым постоянным промежуточным положением органа регулирования, называют частичной скоростной характеристикой. Внешняя скоростная характеристика двигателя позволяет определить его предельные мощностные показатели и оценить экономичность на полных нагрузках. Она является паспортной для транспортных двигателей. Нагрузочной характеристикой называется зависимость показателей двигателя от ре (или Nе) при фиксированной частоте вращения коленчатого вала. По ней определяется предельная для данной частоты вращения мощность, а также оценивается экономичность работы двигателя при различных нагрузках. используются регулировочные характеристики, представляющие собой зависимости показателей работы двигателя от регулируемого параметра (например, коэффициента избытка воздуха, угла опережения зажигания, угла опережения впрыскивания топлива и т. д.). Данные характеристики используются для определения оптимальных параметров работы систем топливоподачи и зажигания. Для ДВС На рис. 2.3 показано поле режимов работы автомобильного двигателя. Выше оси абсцисс расположена область активных режимов работы двигателя (А). На этих режимах работа двигателя положительна. Сверху область ограничена внешней скоростной характеристикой 1; справа — регуляторной ветвью или ветвью снижения крутящего момента при частоте вращения выше номинальной 2. Точки, лежащие на оси абсцисс, соответствуют режиму холостого хода, начиная от минимальной частоты вращения вала на холостом ходу nmin и заканчивая так называемой разносной частотой вращения холостого хода nразн или максимальной частотой вращения при работе с регулятором nxxmax. Рис. 2.3. Характеристики двигателей Nе – эффективная мощность двигателя:1 – внешняя скоростная характеристика; 2 – регуляторная характеристика; nmin – минимальное устойчивое число оборотов коленчатого вала; ne – число оборотов коленчатого вала, соответствующее максимальной мощности; пном – предельный скоростной режим при этом Ne = Ne yом; празн – максимальное число оборотов холостого хода при установке органов управления впуском топлива на максимальную подачу Ниже линии абсцисс расположены пассивные режимы работы двигателя. В этой зоне, ограниченной снизу кривой момента, необходимого для проворачивания неработающего двигателя, двигатель работает в режиме выбега или на принудительном холостом ходу (ПХХ), т. е. при торможении автомобиля двигателем. В табл. 2.1 приведены значения характеристик скоростных режимов в об/мин. Таблица 2.1 Предельные значения характеристик скоростных режимов в об/мин В реальной эксплуатации многие транспортные установки могут работать значительное время в условиях неустановившихся (переходных) режимов работы, поэтому показатели ДВС могут отличаться от полученных на установившихся режимах. На рис. 2.4. показаны различные внешние характеристики двигателей их влияние на возможность приема нагрузки двигателем. Рис. 2.4. Сравнение характеристик автомобилей с разной приспосабливаемостью двигателей: 1 – зависимость крутящего момента «эластичного» двигателя от числа оборотов п ; 2 – то же для «неэластичного»; 3-5 – кривые потребного для движения крутящего момента для различных значений скорости V: 3 – на крутом подъеме; 4 – на более пологом подъеме; 5 – на горизонтальной дороге 2.3 Литровая мощность и методы форсирования двигателей Литровой мощностью называют номинальную эффективную мощность, снимаемую с единицы рабочего объема двигателя: N л N e / iVh pe n / 30 Чем выше литровая мощность, тем меньше рабочий объем и соответственно меньшие габариты и массу имеет двигатель при одинаковой номинальной мощности и тем он более форсирован. Увеличение литровой мощности посредством повышения частоты вращения вала широко используется в карбюраторных двигателях, для современных моделей которых п достигает 6500 мин-1 и выше. Дизели грузовых автомобилей, как правило, имеют номинальную частоту вращения, не превышающую 2600 мин-1. По этой причине литровая мощность дизелей без наддува находится в пределах от 12 до 15 кВт/л и существенно уступает аналогичному показателю карбюраторных двигателей, имеющих Nл =20... 50 кВт/л. Однако в настоящее время появляется все большее количество дизелей с номинальной частотой вращения n = 4500...5500 мин-1 и литровой мощностью с наддувом 25 кВт/л и более. При переходе с четырехтактного рабочего цикла на двухтактный литровая мощность увеличиваться всего лишь в 1,5...1,7 раза вследствие использования лишь части рабочего объема на процессы газообмена, а также в результате дополнительных затрат энергии на привод продувочного насоса. Большая (на 50...70%) литровая мощность — существенное достоинство двухтактного двигателя, но они имеют заметно более низкие энергоэкономические показатели, чем четырехтактные двигатели, за счет потери части горючей смеси в период продувки. Так же двухтактные ДВС имеют большую тепловую напряженность элементов цилиндропоршневой группы из-за более кратковременного протекания процессов газообмена и, следовательно, меньшего теплоотвода от деталей, формирующих камеру сгорания, а также большего теплоотвода к ним в единицу времени, что объясняется вдвое более частым следованием процессов сгорания. Особое место в ряду мероприятий, направленных на повышение литровой мощности, занимает форсирование двигателей по среднему эффективному давлению ре. Однако существенного увеличения Nл путем повышения ре удается достигнуть лишь при увеличении тепловой нагруженности рабочего цикла из-за подвода к рабочему телу большего количества теплоты. Необходимая для этого подача в цилиндр большего количества топлива (возрастание цикловой подачи qц) требует для его полного сжигания и большего количества окислителя. На практике это реализуется путем увеличения количества свежего заряда, нагнетаемого в цилиндр двигателя под давлением Этот способ носит название наддува двигателя и осуществляется компрессором с механическим приводом от коленчатого вала. Недостаток системы снижение экономичности двигателя, обусловленное необходимостью затрат энергии на привод компрессора. Наибольшее распространение в практике современного двигателестроения получил газотурбинный наддув, схема которого приведена на рис. 2.5 Рис. 2.5. Схема турбонаддува При газотурбинном наддуве отсутствует механическая связь агрегата наддува с коленчатым валом двигателя, применение ТК заметно ухудшает тяговые характеристики и приемистость двигателя. Это связано с инерционностью системы роторов ТК, а также с уменьшением энергии отработавших газов при малых нагрузках, в связи с чем, особенно в начале разгона, не обеспечивается подача в цилиндр нужного количества свежего заряда. Для преодоления этих недостатков нередко возникает необходимость использования комбинированного наддува. Система комбинированного наддува выполняется в различных конструктивных вариантах и обычно представляет собой определенные комбинации наддува с приводным компрессором и газотурбинного наддува. Для повышения плотности свежего заряда, подаваемого в цилиндры двигателя, в ряде случаев используются колебательные явления в системах газообмена (пульсации РТ в системе впуска и выпуска), являющиеся результатом цикличности следования процессов газообмена в цилиндре. Если, например, задать впускному патрубку такие конструктивные параметры (в основном длину и площадь проходного сечения), чтобы перед закрытием впускного клапана около него была волна сжатия, то масса поступающего в цилиндр заряда увеличивается. Аналогичный эффект можно получить, «настроив» выпускной трубопровод так, чтобы при открытом выпускном клапане вблизи него была волна разрежения. В результате этого улучшится очистка цилиндров и в него поступит большее количество свежего заряда, что увеличивает. Эффективную мощность двигателя на 15…25%. При использовании наддува увеличивается механическая и тепловая напряженность элементов, формирующих камеру сгорания, что является одним из основных факторов, ограничивающих наддув. По величине создаваемого на входе в цилиндр дизеля давления рк (или степени повышения давления K р K / р0 ) различают наддув низкий к < 1,5, средний к >1,5...2,0 и высокий к > 2,0. При этом эффективная мощность двигателя увеличивается соответственно на 20...30, 40...50 и более 50%. Контрольные работы: 1. На какие составляющие разделяется энергия, выделившаяся сгорании топлива? 2. Чем отличаются тепловые и механические потери? 3. Как определяется индикаторная работа? 4. Что называется индикаторной мощностью? 5. Что оценивает механический КПД? 6. Дайте определение внешней скорости характеристики? 7. Каковы предельные значения скоростных режимов? 8. По какому параметру оценивают степень форсирования ДВС? 9. Достоинства и недостатки дизельного двигателя при
