Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания

Рис.11. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом:

Р0— атмосферное давление; Р„ — давление в период наполнения; Рг — давление в цилиндре в период выпуска; Рк — давление воздуха в наддувочном коллекторе; Кс — объем камеры сжатия; КЛ — рабочий объем; К„ — полный объем цилиндра; 1 — 5 — процесс продувки: 1 — открытие клапанов впуска; 2 — закрытие клапанов впуска; 3 — впрыск топлива в цилиндр; 4 — открытие клапанов выпуска; 5— закрытие клапанов выпуска; I — точка максимального давления газов в цилиндре

 

3.2. Механические потери и эффективная  мощность.

 

Потери на трение - значительная часть  работы, произведенной ДВС, следовательно экономически оправдано их снижение. (По разным источника по разному. Прим.) Примерно 25 – 30 % индикаторной работы ДВС затрачивается на механические потери. 
Общепринято при проектировании сравнивать эффективную мощность ДВС и мощность холодной прокрутки, их разница дает механические потери. Это не совсем так. 
  Механические потери делятся на 3 класса: потери на трение в узлах и агрегатах ДВС и производные этого вида потерь; потери на привод вспомогательных агрегатов ДВС; насосные потери; хотя они должны учитывать индикаторную мощность. 
Толщина масляной пленки зависит от пьезокоэффициента вязкости смазки. 
n - мгновенная динамическая вязкость смазки; V - скорость перемещения поверхностей контакта; Eэк - эквивалентный модуль упругости. 
       По толщине смазки делят режимы трения смазанных деталей. Коэффициент трения в режиме полужидкостного трения определяется: 
; где к – коэффициент геометрии контакта; Ра – номинальное давление в контакте; 
для практического контакта:  
; где: T o– сдвиговое сопротивление (фрикционный параметр); b - коэффициент упрочнения молекулярной связи; Рс – контурное давление в контакте; НВ – твердость наиболее слабого материала. 
Коэффициент в режиме жидкостного трения:  
; где: С – коэффициент геометрической формы; Р – удельное давление на поверхности контакта;  
Сила трения в контакте:  ; где: Аа – номинальная площадь контакта; 
Потери мощности:  .

Эффективной мощностью N_e называют мощность, получаемую на коленчатом валу двигателя. Она меньше индикаторной мощности N_i на величину мощности, затрачиваемой на трение в двигателе (трение поршней о стенки цилиндров, шеек коленчатого вала о подшипники и др.) и приведение в действие вспомогательных механизмов (газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и топливного насосов, генератора и др.).

Для определения величины эффективной  мощности двигателя можно воспользоваться  приведенной выше формулой для индикаторной мощности, заменив в ней среднее  индикаторное давление p_iсредним эффективным давлением р_е (р_е меньше p_i на величину механических потерь в двигателе).

На практике эффективную мощность N_е определяют путем испытания двигателя на тормозных стендах (электрических или гидравлических), пользуясь следующей формулой:

где М_е — крутящий момент двигателя, кгм, равный произведению окружной силы на маховике на радиус маховика; 

n — число оборотов коленчатого вала в минуту.

Эффективная мощность повышается с  увеличением крутящего момента  и числа оборотов коленчатого  вала (до некоторого предела).

Эффективная мощность и крутящий момент тем больше, чем больше:

1. литраж двигателя (т. е. диаметр и число цилиндров, длина хода поршня);
2. наполнение цилиндров, которое повышается при усовершенствовании камер сгорания, уменьшении сопротивления впускной и выпускной систем, снижении подогрева горючей смеси, установке многокамерных карбюраторов и общем улучшении конструкции двигателя;
3. степень сжатия, так как при ее повышении увеличивается скорость горения рабочей смеси, повышается температура и давление газов в начале такта сгорание — расширение, уменьшается количество тепла, уходящего с отработавшими газами и охлаждающей жидкостью.

 

3.3 Коэффициенты  полезного действия.

 

Индикаторный КПД

ή = N_i/Q_t= 3600N_i/BQ_н^Р= 3600/b_iQ_н^р

В — часовой расход топлива (в кг/час для жидкого или в м³/час для газообразного топлива);

Q^Р_Н — теплота сгорания топлива (в ккал/кг для жидкого или ккал/м³ для газообразного топлива).

         Эффективный КПД

ή = N_l/Q_t= 3600N_l/BQ_н^Р= 3600/b_lQ_н^р

где, b_{l =} B/N_e – удельный эффективный расход топлива.

Механический КПД.

ή = N_l/N_i= N_i-ΔN/N_i=1- ΔN/N_i

где ΔN- потери мощности на трение и привод вспомогательных механизмов.

Удельный индикаторный расход топлива определяется по формуле: 
g_i = B_ч/N_i, 
где B_ч - часовой расход топлива, N_i - индикаторная мощность дизеля. 
Удельный индикаторный расход топлива может быть определен по данным измерений часового расхода топлива и индикаторной мощности двигателя.

Удельный эффективный расход топлива

b_e = В / N_e 

Глава 4. Виды двигателей: бензиновые.

4.1 Особенности и применение.

 

Среди поршневых двигателей внутреннего сгорания в настоящее  время наиболее распространен бензиновый двигатель. В бензиновом двигателе воспламенение топливно-воздушной смеси происходит принудительно за счет электрической искры.

Основными направлениями  совершенствования бензиновых двигателей являются:

• снижение расхода топлива;
• снижение токсичности отработавших газов;
• повышение мощности двигателя.

Бензиновые двигатели имеют более высокую частоту вращения, большую литровую мощность, шум и вибрации более низкие. Регулирование горючей смеси в них, главным образом, количественное. Поэтому на малой и средней мощностях (двигатели легковых автомобилей работают в основном в этих режимах), действительная степень сжатия — низкая, т. е. в результате дросселирования на впуске и частичного наполнения цилиндра вместо давления сжатия, например 2,5 МПа на полной мощности, смесь сжимается до 1,0 МПа. Отсюда — низкая эффективность сгорания и последующего расширения, а значит, и большой расход топлива.

Таким образом, если при номинальных  мощностях эффективный КПД бензинового  двигателя на 20% ниже, чем у дизеля, то на частичных режимах разрыв увеличивается  до 40% и более. Это подтверждается многочисленными сравнительными эксплуатационными  испытаниями автомобилей с дизельными и бензиновыми двигателями одинаковой мощности. Снижение расхода топлива  на 100 км пути в зависимости от условий  движения (в городе или на магистралях) составляет 25—50%.

 

4.2 Система питания карбюраторного  двигателя.

 

Система питания двигателя предназначена для хранения, очистки и подачи топлива, очистки воздуха, приготовления горючей смеси и подачи ее в цилиндры двигателя. На различных режимах работы двигателя количество и качество горючей смеси должно быть различным, и это тоже обеспечивается системой питания.

Поскольку в этой книге мы рассматриваем  работу бензинового двигателя, то в  дальнейшем под топливом будет подразумеваться  именно бензин.

Рис. 12. Схема расположения элементов системы питания карбюраторного двигателя: 1 – заливная горловина с пробкой; 2 – топливный бак; 3 – датчик указателя уровня топлива с поплавком; 4 – топливозаборник с фильтром; 5 – топливопроводы; 6 – фильтр тонкой очистки топлива; 7 – топливный насос; 8 – поплавковая камера карбюратора с поплавком; 9 – воздушный фильтр; 10 – смесительная камера карбюратора; 11 – впускной клапан; 12 – впускной трубопровод; 13 – камера сгорания

4.3 Система  питания с впрыском бензина.

 

 
Рис 13.Элементы системы питания инжекторного двигателя автомобиля ваз 2107: 
1 - воздухозаборник; 2 - корпус воздушного фильтра; 3 - рукав подвода воздуха к корпусу дроссельной заслонки; 4 - корпус дроссельной заслонки с регулятором холостого хода; 
5 - топливная рампа; 6 - топливный фильтр; 7 - бензонасос с датчиком указателя уровня топлива; 8 - гравитационный клапан; 9 - перепускной клапан; 10 - предохранительный клапан; 11 - бензобак; 12 - адсорбер

Преимущества, по сравнению с двигателями, оборудованными карбюраторной системой подачи топлива:

• Уменьшение расхода топлива.
• Упрощается запуск двигателя.
• Более широкие возможности управления двигателем (улучшаются динамические и мощностные характеристики двигателя).
• Не требует ручной регулировки системы впрыска, так как выполняет самостоятельную настройку на основе данных, передаваемых датчиками кислорода.
• Поддерживает примерно стехиометрический состав рабочей смеси, что несколько уменьшает выброс несгоревших углеводородов и повышает экологичность (лямбда ~ 0.98-1.2).
• Двигатели с карбюраторами не могут обеспечить соответствие автомобиля современным требованиям по составу отработавших газов.

Основные недостатки двигателей с  блоком управления по сравнению с  карбюраторными:

• Высокая стоимость узлов,
• Низкая ремонтопригодность элементов,
• Высокие требования к фракционному составу топлива,
• Необходимость в специализированном персонале и оборудовании для диагностики, обслуживания и ремонта, высокая стоимость ремонта.
• Зависимость от электропитания и критически важное требование к постоянному наличию напряжения питания (у более современного варианта, контролируемого электроникой).

 

4.4 Система зажигания.

 

Система зажигания предназначена для воспламенения топливно-воздушной смеси бензинового двигателя. Воспламенение смеси происходит от искры, поэтому другое наименование системы -искровая система зажигания, а бензинового двигателя - двигатель с искровым зажиганием (сокращенно - ДсИЗ).

В зависимости от способа управления процессом зажигания различают  следующие типы систем зажигания:

• контактная система зажигания;
• бесконтактная (транзисторная) система зажигания;
• электронная (микропроцессорная) система зажигания.

В контактной системе зажиганияуправление накоплением и распределение электрической энергии по цилиндрам осуществляется механическим устройством - прерывателем-распределителем. Дальнейшим развитием контактной системы зажигания является контактная транзисторная система зажигания, в первичной цепи катушки зажигания которой применен транзисторный коммутатор.

В отличие от контактной в бесконтактной системе зажигания для управления накоплением энергии используется транзисторный коммутатор, взаимодействующий с бесконтактным датчиком импульсов. Транзисторный коммутатор в данной системе выполняет роль прерывателя. Распределение тока высокого напряжения осуществляется механическим распределителем.

В микропроцессорной системе зажигания  используетсяэлектронный блок управления, с помощью которого производится управление процессом накопления и распределения электрической энергии. В ранних конструкциях электронной системы зажигания электронный блок одновременно управлял системой зажигания исистемой впрыска топлива (т.н. объединенная система впрыска и зажигания). В настоящее время управление зажиганием включено всистему управления двигателем.

Не смотря на различия в конструкции  можно выделить следующееобщее устройство системы зажигания:

• источник питания (автомобильный генератор и аккумуляторная батарея);
• выключатель зажигания;
• устройство управления накоплением энергии (прерыватель, транзисторный коммутатор, электронный блок управления);
• накопитель энергии (катушка зажигания);
• устройство распределения энергии по цилиндрам (механический распределитель, электронный блок управления );
• высоковольтные провода;
• свечи зажигания.

Принцип работы системы зажигания заключается в накоплении и преобразовании катушкой зажигания низкого напряжения (12В) электрической сети автомобиля в высокое напряжение (до 30000В), распределении и передаче высокого напряжения к соответствующей свече зажигания и образовании в нужный момент искры на свече зажигания.

В работе системы зажигания можно  выделить следующие этапы:

• накопление электрической энергии;
• преобразование энергии;
• распределение энергии по свечам зажигания;
• образование искры;
• воспламенение топливно-воздушной смеси.

 

4.5 Устройство бензиновых двигателей.

 

Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.