Показатели работы двигателя

Выше на основании анализа индикаторной диаграммы было получено значение индикаторной мощности N_i и среднего индикаторного давления p_i. Однако эти величины могут заинтересовать сравнительно узкий круг исследователей и конструкторов. Потребителя (и владельца автомобиля, и конструкторов тех или иных машин, в которых используется ДВС) интересует прежде всего мощность, которая передается на трансмиссию автомобиля, винт корабля или на рабочие органы машины - эффективная мощность двигателя N_e.

Эффективная мощность представляет собой разность между индикаторной мощностью и мощностью, затрачиваемой на преодоление механических потерь N_мех в двигателе, т.е. на преодоление трения в кривошипно-шатунном механизме, на привод механизма газораспределения и всех других механизмов и систем, обеспечивающих нормальное функционирование двигателя (масляного, топливного, водяного насосов, электрического генератора системы зажигания и т. д.).

Таким образом:



где η_м - механический КПД; р_е - среднее эффективное давление, условная величина давления газов, равная р_iη_м; k - коэффициент перевода в применяемые единицы мощности.



Абсолютное значение мощностей ДВС находится в широких пределах: от десятых и даже сотых долей киловатта у двигателей авиамоделей до нескольких десятков тысяч (40...60 тыс. кВт) судовых поршневых и ГТД. Для авиационных турбореактивных двигателей используют оценочный параметр тяги, которая достигает значения 100...200 кН.

Однако сравнивать двигатели по абсолютной мощности не имеет смысла, так как каждый предназначен для конкретного объекта - автомобиля, тепловоза или судна.

Сравнение по удельным показателям позволяет судить о совершенстве конструкции двигателя. Одним из таких параметров является литровая мощность - мощность, получаемая с 1 л рабочего объема поршневого ДВС. По литровой мощности целесообразно сравнивать только однотипные двигатели. Мощность высокофорсированных двигателей специальных гоночных автомобилей достигает фантастических значений 450...500 кВт/л, а тихоходных судовых ДВС всего 3...5 кВт/л (характерные значения этого параметра приведены на рис. 27). Дело в том, что в формулу мощности входят еще две величины: частота вращения вала и среднее эффективное давление, которые изменяются в достаточно широких пределах. Например, микродвигатели авиамоделей развивают частоту вращения вала 20...25 тыс. мин⁻¹, а огромные, с рабочим объемом одного цилиндра более кубометра, судовые двигатели -всего 200...300 мин⁻¹. Частота вращения вала двигателя ограничивается силами инерции, возникающими в кривошипно-шатунном механизме. Силы инерции прямо пропорциональны массе движущихся деталей (поршня и шатуна) и квадрату частоты вращения вала.





Кроме того, с ростом частоты вращения вала повышаются механические потери, изнашивание трущихся пар, снижается долговечность двигателя. Если для двигателя специального гоночного автомобиля достаточна долговечность в несколько часов (на продолжительность гонки или рекордного заезда), то судовой двигатель должен прослужить 20...30 лет. Характерные для тех или иных транспортных средств частоты вращения вала ДВС показаны на рис. 28. Валы ГТД и турбореактивных двигателей вращаются с частотой вращения до 40...60 тыс. мин⁻¹.




По таким показателям, как литровая мощность и частота вращения вала, судовые поршневые двигатели находятся на последних позициях. Для сравнения существует еще показатель - среднее эффективное давление, которое характеризует напряженность всего цикла и, соответственно, максимальные значения давлений, возникающих при сгорании. Массивные детали кривошипно-шатунного механизма тихоходных дизелей обладают прочностью достаточной, чтобы выдержать высокие газовые нагрузки (при высоких степенях наддува и сжатия). Среднее эффективное давление у них может достигать 1,8...2,0 МПа. Приблизительно такие значения р_е имеют высокофорсированные дизели боевых машин и двигатели специальных гоночных машин. У обычных двигателей (бензиновых и дизелей) р_е находится в пределах 0,6...0,9 МПа (рис. 29). Высокие средние и, особенно, максимальные давления существенно влияют на надежность ДВС, поэтому даже для судовых тихоходных дизелей значения р_{е ср} ограничены 1,0...1,2 МПа.





Рассмотрим нагрузки в деталях кривошипно-шатунного механизма несколько подробнее. Схема действия сил в нем показана на рис. 30, а. На рис. 30,6 представлены развернутые по углу поворота коленчатого вала диаграммы сил давления газов Р_г и сил инерции P_j возвратно-поступательно движущихся деталей. В результате сложения этих сил получим суммарную силу, действующую в сочленении поршня с шатуном Р_∑.



Наибольшие силы инерции возникают в ВМТ, в которой складываются круговое движение кривошипа s' (рис. 30, в) и движение выпрямления шатуна s" (эти движения определяют скорости, ускорениями силы инерции соответственно первого и второго порядка). В НМТ движения первого s' и второго s" порядков вычитаются, и силы инерции получаются меньшими, чем в ВМТ. Обратите внимание еще на одну особенность взаимодействия газовых и инерционных сил: в ВМТ, в период сгорания, газовые и инерционные силы действуют в противоположные стороны. Это, в частности, и позволяет за счет сил инерции снизить в кривошипно-шатунном механизме нагрузки от газовых сил в высокофорсированных, быстроходных двигателях гоночных автомобилей. Таким образом, в сочленении : поршня и шатуна (см. рис. 30, б) действует по направлению оси цилиндра суммарная сила Р_∑, имеющая две составляющие: направленную вдоль шатуна Р_ш и нормальную силу N, которая прижимает поршень к стенке цилиндра. Трение, обусловленное силой N составляет только часть (меньшую) суммарных сил трения пары цилиндр - поршень. Основную долю составляют силы трения поршневых колец о стенки цилиндра.



Сила N, помноженная на расстояние от оси коленчатого вала до точки ее приложения, дает значение опрокидывающего момента М_опр и определяет величину воздействия двигателя на опоры.

В сочленении нижней головки шатуна с кривошипом вала сила Р_ш раскладывается на две составляющие: силу Р_к, действующую по радиусу кривошипа, и тангенциальную силу Т, перпендикулярную к Р_к. Произведение силы Т на радиус кривошипа r дает значение крутящего момента М. А сила Р_к в сочетании с центробежной силой инерции P_s нижней головки шатуна определяет; величину нагрузки на коренные опоры коленчатого вала. Поскольку существует прямая зависимость между силой давления газов и тангенциальной составляющей силы, действующей вдоль шатуна, мощность двигателя можно выразить через крутящий момент:



где А - коэффициент приведения к единицам мощности.

Среднее эффективное давление р_{е ср} является удельным показателем,. характеризующим параметры рабочего цикла и напряженность деталей кривошипно-шатунного механизма, а крутящий момент является важным оценочным параметром для каждой конкретной модели ДВС. С помощью величины М определяют передаточное отношение в трансмиссии между валом двигателя и, например, осью колеса или валом винта.



На рис. 31 представлена схема силового взаимодействия в трансмиссии; автомобиля. Во время движения автомобиль испытывает аэродинамическое; сопротивление воздуха и сопротивление качению колес Р_с, при разгоне он должен преодолеть силы собственной инерции, а при движении на подъем - противодействующую составляющую массы автомобиля.



Преодоление всех этих сопротивлений реализуется силой Р_кл, возникающей в точке контакта ведущего колеса с дорогой. К колесу должен быть приложен момент



где r_кл - радиус колеса.

Для того чтобы обеспечить движение автомобиля с заданными параметрами, должен существовать баланс мощности двигателя и мощности, реализуемой на ведущих колесах (с учетом КПД трансмиссии η_тр), или





где n_кл - частота вращения колеса; u_тр - передаточное отношение трансмиссии, равное произведению передаточных отношений коробки передач и главной передачи соответственно u_к.п и u_г.п.

Любое транспортное средство или любая машина, оснащенная ДВС, работает с переменными нагрузками и частотами вращения вала. Поэтому важно знать не только максимальные значения мощности или крутящего момента, которые может достичь двигатель, но и изменение указанных величин в зависимости от изменения частоты вращения вала. Такую зависимость описывает внешняя скоростная характеристика двигателя (рис. 32). Внешняя скоростная характеристика - изменение мощности N_e и крутящего момента М при полностью открытой дроссельной заслонке у бензинового (газового) двигателя или при полной подаче топлива у дизеля, при составе смеси и углах опережения зажигания или впрыскивания, обеспечивающих максимальную мощность при данном режиме.





На рис. 32 дана зависимость удельного расхода топлива g_e, т.е. массы топлива, израсходованного за 1 ч работы двигателя и отнесенного к единице мощности. Удельный расход топлива является одним из важнейших показателей совершенства конструкции двигателя. В технических характеристиках, как правило, дается значение минимального удельного расхода топлива при работе двигателя по внешней скоростной характеристике. Характерные значения данного параметра для тех или иных типов двигателей показаны на рис. 33.



Обратите внимание на характер протекания кривой крутящего момента (см. рис. 32). Он достигает максимального значения в зоне средних частот вращения вала. При малых частотах вращения ухудшается процесс смесеобразования, уменьшается наполнение цилиндров свежим зарядом из-за обратного выброса через открытые еще в начале такта сжатия клапаны. При больших частотах вращения ухудшается наполнение цилиндров из-за увеличения аэродинамического сопротивления впускного и выпускного трактов эффективность использования топлива из-за недогорания его части (мало время для сгорания) и увеличения тепловых потерь вследствие интенсивной турбулизации заряда и увеличения продолжительности процесса сгорания по углу поворота вала. Самое главное: с ростом частоты вращения вала резко (в кубической зависимости) возрастают затраты мощности на преодоление механических потерь.

По таким же причинам в зоне малых и больших частот вращения вала увеличивается удельный расход топлива, а график изменения мощности имеет характерный изгиб. Ниже кривой N_e находится область всех возможных сочетаний мощности и частот вращения вала, которые могут быть реализованы двигателем.

(Оригинал публикации на портале: RenaultBook.ru)

Наиболее полное представление о возможностях двигателя дает сравнение кривых его мощности N_e и мощности, требуемой на преодоление сопротивления движению N_c. Величина N_c складывается из мощностей на преодоление аэродинамического сопротивления (зависит от скорости движения) и сопротивления качению (зависит от фактической нагрузки автомобиля и качества дороги). Точка пересечения кривых N_e и N_c определяет величину максимально достижимой скорости экипажа. При меньших скоростях движения избыточная мощность двигателя может быть израсходована либо на преодоление подъемов либо на преодоление сил инерции при разгоне автомобиля. Чем больше избыточная мощность, тем динамичнее автомобиль. Однако не будем спешить с выводами.

Приведенная на рис. 32 кривая изменения удельного расхода топлива относится к режиму работы на полной нагрузке. Полная нагрузка двигателя реализуется только при движении автомобиля с максимальной скоростью, в крайнем случае при резком разгоне или подъеме на достаточно крутую гору. В условиях нормальной эксплуатации двигатель работает на частичных нагрузочных и скоростных режимах, поэтому важнее знать, какой будет расход топлива в указанных условиях.

На рис. 34, а показана зависимость удельного расхода топлива от нагрузки двигателя при постоянной частоте вращения вала, а на рис. 34, б - универсальная характеристика, которая показывает удельные расходы топлива во всей области возможных сочетаний нагрузочных и скоростных режимов работы двигателя. На рассматриваемой кривой наносится точка абсолютного минимального удельного расхода g_{e min} топлива и серия кривых, соединяющих точки, соответствующие скоростным и нагрузочным режимам с одинаковым удельным расходом. Как правило, такие кривые строятся с шагом 10 г/(кВт·ч) от точки g_{e min}.



Характер кривой удельного расхода топлива от нагрузки объясняется следующим образом. На холостом ходу вся энергия топлива расходуется только на преодоление внутренних механических сопротивлений. Полезная (эффективная) мощность равна нулю. Поэтому удельный эффективный расход бесконечен. По мере роста нагрузки увеличивается доля использования энергии топлива для совершения полезной работы, и значение ge снижается до минимального. Для достижения максимальной нагрузки (мощности при данной частоте вращения вала) увеличивается подача топлива (в дизеле) или обогащается смесь (в бензиновом двигателе), возрастает доля неиспользованной тепловой энергии топлива (из-за неполного сгорания и роста тепловых и механических потерь). Повышается и удельный расход топлива.

Если на универсальную характеристику наложить кривую мощности на преодоление сопротивления движения, можно определить удельные расходы, характерные для тех или иных скоростных режимов движения, которые существенно отличаются от минимального значения.

Мощность на преодоление сопротивления качению практически линейно зависит от скорости. Для быстроходного легкового автомобиля определяющей является мощность на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха, которая увеличивается в кубической зависимости. Двигатель грузового автомобиля имеет меньший запас мощности для разгона, но на эксплуатационных режимах работает с относительно большей нагрузкой и меньшими удельными расходами. А двигатель быстроходного легкового автомобиля обеспечивает большой запас мощности и хорошую динамику, но в условиях обычной эксплуатации работает с очень малыми нагрузками и высокими удельными расходами топлива.

К характеристикам поршневого двигателя относятся их геометрические параметры: рабочий объем V_h, ход поршня S, диаметр цилиндра D, число цилиндров i. Для РПД - рабочий объем камеры и число роторов. Диапазон изменения этих показателей очень велик: объем двигателя для авиамоделей -2...3 см³, а объем судового дизеля-тихохода -3...4 м³, число цилиндров может быть от одного (двигатели мотоциклов, мопедов, бензопил и т.п.) до нескольких десятков (быстроходные судовые дизели с компоновкой в виде звезды или дельта); диаметры цилиндров - от нескольких миллиметров до 1 м и более.

Частота вращения коленчатого вала двигателя, геометрические размеры цилиндра и число цилиндров тесно взаимосвязаны друг с другом и прочими показателями. Для примера сравним двигатель одного и того же литража с малым и большим числом цилиндров.

Чем меньше размер цилиндра, тем меньше масса деталей кривошипно-шатунного механизма и механизма газораспределения, меньше силы инерции. Значит возможно увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя и, следовательно, при том же рабочем объеме - мощность. Увеличение частоты вращения коленчатого вала обеспечивается не только из-за уменьшения массы, но и из-за уменьшения геометрических размеров камеры сгорания, так как чем короче путь фронта пламени, тем быстрее завершится процесс сгорания. Поэтому многоцилиндровые двигатели имеют несомненные преимущества. Но опять "но"...

Если увеличивается число цилиндров, то увеличиваются суммарная поверхность охлаждения камер сгорания, поверхность трения в кривошипно-шатунном и других механизмах (механические потери), число деталей и обрабатываемых поверхностей, а также энергетические затраты на их обработку. В результате стоимость двигателя в производстве и эксплуатации повышается.

Механические потери непосредственно влияют на экономичность двигателя, чего нельзя сказать о тепловых потерях и потерях из-за неполноты сгорания в холодном пристенном слое. Действительно, у двигателя с малым числом цилиндров поверхность охлаждения камер сгорания, отнесенная к их объему, меньше, чем у многоцилиндровых, но зато меньше и частота вращения вала, а следовательно, больше время, затрачиваемое на процесс сгорания и процесс теплоотвода за период каждого цикла. У высокооборотных многоцилиндровых двигателей интенсивнее турбулизация заряда, интенсивнее массообмен в пристенном слое, в то же время большая часть топлива из холодных пристенных слоев вовлекается в процессе сгорания при более интенсивном теплоотводе. Все данные факторы необходимо учитывать при создании каждой конкретной модели двигателя.

Одним из характерных показателей двигателя является и степень сжатия - отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сжатия V_c (см. рис. 29, о). У дизелей мы должны сжать заряд воздуха так, чтобы температура его была достаточна для самовоспламенения впрыскиваемого топлива. Данному условию соответствуют степени сжатия е в пределах 14...25. Чем выше степень сжатия, тем выше и степень расширения продуктов сгорания, и, следовательно, тем выше эффективность использования энергии топлива. Но для двигателей с внешним смесеобразованием степень сжатия ограничивается возникновением детонационного сгорания: для бензиновых е равна 7...10, а для газовых - 12...14, так как газовое топливо обладает большей, чем бензины, детонационной стойкостью.

Примеры компоновки современных поршневых двигателей для различных транспортных средств приведены на рис. 35. Для двигателей с числом цилиндров от 1 до 6 наиболее типична рядная компоновка. Рядные двигатели с большим числом цилиндров уже не используются. Объясняется это тем, что коленчатый вал становится слишком длинным, он теряет жесткость (как и картер двигателя), появляется склонность к крутильным колебаниям коленчатого вала, увеличивается изнашивание коренных подшипников из-за нарушения геометрии масляного клина при деформациях. Для увеличения жесткости двигателя приходится увеличивать толщину стенок корпуса и диаметр шеек коленчатого вала, что ведет к увеличению массы. Поэтому двигатели с числом цилиндров от 8 до 12 делают с V-образной компоновкой (встречаются двигатели с компоновкой V-2 и V-4). Положение цилиндров рядного двигателя в моторном отсеке может быть произвольным - от вертикального до горизонтального. Угол между цилиндрами V-образного двигателя меняется от минимального (12...15°) до 180° (оппозитная компоновка). Наиболее используемые углы развала цилиндров 90° или 60°. Это связано с равномерностью чередования рабочих ходов в цилиндрах, равномерностью крутящего момента и уравновешиванием сил инерции, которые определяют воздействие двигателя на опоры, а следовательно, и комфорт в салоне автомобиля или каютах теплохода.



Для двигателей с еще большим числом цилиндров, которые в настоящее время характерны для быстроходных судов, а раньше широко применялись в авиации, используют компоновку "звезда" или "дельта" с несколькими рядами цилиндров. Общее число цилиндров в двигателе с компоновкой в виде семилучевой звезды может достигать 56. Компоновка "дельта" получается как бы из трех V-образных двигателей или трех двигателей "боксер". Она широко применяется для двухтактных дизелей. Габаритные размеры различных типов двигателей показаны на рис. 36.



Показатели РПД и характеристики мощности и крутящего момента принципиально не отличаются от традиционных поршневых. Рабочий объем определяется как разница между максимальным и минимальным объемами, между гранью ротора и стенкой статора. Если сравнивать литровые мощности РПД с трехгранным ротором (двигатель Ванкеля) и четырехтактного поршневого двигателя, то объем камеры РПД следует удваивать, так как на один оборот вала приходится один рабочий ход. Поскольку частота вращения РПД ограничивается 6000...8000 мин⁻¹, то и литровые мощности получаются примерно одинаковые как у поршневых двигателей подобного класса. Габаритные размеры РПД (без агрегатов системы охлаждения и т.п.) существенно меньше, сам двигатель компактнее, легче, но с учетом всех навесных агрегатов и систем указанные преимущества оказываются не так ощутимы: все обслуживающие агрегаты одинаковы и для поршневого двигателя и для РПД. Удельные расходы топлива РПД в настоящее время одинаковы с поршневыми, а на некоторых экспериментальных РПД достигнуты и лучшие показатели, чем у серийных поршневых, прежде всего за счет меньших механических потерь.

ГТД имеет принципиально отличный рабочий процесс и иные оценочные показатели. Но по физической сути они совпадают с поршневыми. Рабочий объем поршневого двигателя, умноженный на частоту вращения коленчатого вала, - ни что иное, как характеристика расхода рабочего тела за единицу времени. А в ГТД секундный расход рабочего тела является одной из основных характеристик сравнения. Для реально применяемых транспортных ГТД он колеблется в пределах от 1,5...2 до 100...150 кг/с и более. Удельная мощность, отнесенная к 1 кг/с расхода рабочего тела, достигает 130...170 кВт. Для транспортных ГТД с теплообменниками удельная масса сравнима с бензиновыми двигателями и составляет около 1,7...2 кг/кВт, а удельные минимальные часовые расходы топлива приближаются к значению 200...220 г/(кВт-ч). Частота вращения вала компрессора современных ГТД находится в пределах 40...60 тыс. мин⁻¹. При этом частота вращения тяговой турбины может изменяться в широких пределах. Степень повышения давления воздуха в компрессоре транспортных ГТД в пределах 5...6, редко до 10...11. Для авиационных ГТД характерны более высокие степени повышения давления - до 25...30, с учетом внутреннего охлаждения лопаток турбины компрессора температура газов на входе в турбину достигает 1300...1350°C.

В авиационных ГТД характерным параметром сравнения является тяга, которая в настоящее время достигает 100...200 кН на агрегат. Удельная масса ГТД авиационного типа без теплообменников и тяговой турбины составляет 0,4...0,6 кг/кВт.