Величина среднего давления в цилиндре дизельного двигателя

Величина среднего давления в цилиндре дизельного двигателя

Если обозначим площадь индикаторной диаграммы fмм 2 и длину ее l мм, то

где р 1 — среднее индикаторное давление в кГ/см 2 ;

b — масштаб давлений индикаторной диаграммы — 1 ата — в мм.

Средним индикаторным давлением называется такое условное постоян­ное давление, действующее на поршень цилиндра двигателя, работа кото­рого в течение одного хода поршня равна работе действительного перемен­ного давления газов за один цикл.

Среднее индикаторное давление является показателем совершенства цикла двигателя и, кроме того, позволяет (как это будет показано в даль­нейшем) производить подсчет мощности, развиваемой в цилиндре двига­теля.

Среднее индикаторное давление расчетного цикла, или, как его назы­вают, среднее теоретическое индикаторное давление, может быть определено по площади расчетного цикла [по формуле (90)], либо аналитическим путем. Аналитический способ определения среднего теоретического индикаторного давления основан на том, что совершаемая работа за цикл, отнесенная к 1 м 3 рабочего объема цилиндра, и является искомым средним индикаторным дав­лением:

Принимая процесс сжатия политропным с показателем п 1 , бу­дем иметь:

Знак минус в выражении работы L ас показывает, что работа за про­цесс сжатия затрачивается. Работа за процесс сгорания с—z равна

Подставляя значения работы отдельных процессов в выражение (92), получим формулу для определения среднего теоретического индикаторного давления цикла смешанного подвода тепла:

При р = 1 получим среднее теоретическое индикаторное давление цикле с изохорным подводом тепла:

Как следует из полученных формул (93) и (94), р i прямо пропорцио­нально р с и зависит от изменения величин ?, ?, ?, n 1 , п 2 .

С увеличением степени сжатия е, степени повышения давления — ?, степени предварительного расширения ? и среднего значения показателя политропы сжатия — п 1 , значение p i ’; возрастает. Указанная зависимость объясняется тем, что при увеличении ?, ?и n 1 увеличивается площадь ин­дикаторной диаграммы за счет увеличения высоты ее, а при увеличении ? происходит возрастание площади за счет уширения диаграммы. При уве­личении п 2 , как это следует непосредственно из математической зависимости, р1 уменьшается, если все прочие величины остаются неизменными. В дей­ствительности увеличение п 2 обусловливается уменьшением догорания топлива на линии расширения, а следовательно, возрастанием ? и р i .

АГЦ-2 Анализатор герметичности цилиндров бензиновых и дизельных двигателей

Анализатор герметичности цилиндров

Известные методы диагностирования цилиндропоршневой группы (ЦПГ) можно свести к трем основным:

Оценка состояния ЦПГ по расходу картерных газов имеет недостаточную точность, обусловленную влиянием утечек газов через сальниковые уплотнения. Свести к минимуму влияние утечек возможно лишь при принудительном отсасывании газов из картера для обеспечения в нем атмосферного давления при измерении расхода, что весьма трудоемко. На показания индикатора влияет также уровень вибрации двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Кроме того, данный метод не позволяет отдельный неисправный цилиндр и, тем более, определить первопричины снижения работоспособности ЦПГ, а к утечкам через клапан вообще нечувствителен.

Принцип «пневмокалибратора» позволяет выявлять конкретный неисправный цилиндр.

Поршень проверяемого цилиндра, выставляется при медленном прокручивании коленчатого вала на рабочий такт сжатия или расширения (при перекрытых клапанах). В цилиндр подается сжатый воздух и по времени падения давления оценивается пневмоплотность цилиндра. Данный метод может быть реализован только в стационарных условиях при наличии источника сжатого воздуха.

Недостатки метода:
необходимо выставить поршень хотя бы в две позиции – на середине и в конце такта сжатия. Технически проделать эту операцию довольно сложно, особенно если двигатель оснащен АКПП. Во-вторых, при проверке последних цилиндров мы получим худшие результаты, в следствие утечки к моменту проверки части масла в картер. В-третьих, достоверно можно оценить только утечки в клапанах по повышенной интенсивности падения давления и наличию «свиста» во впускном или выпускном коллекторах. О состоянии колец или износе гильзы этот метод достоверно не указывает.

Замер компрессии:
– самый популярный метод диагностики среди автомехаников. Положительные качества его очевидны – простота, доступность, универсальность. Однако этот метод позволяет лишь определить наличие или отсутствие компрессии в цилиндре. Одним замером практически невозможно разделить утечки связанные с не герметичностью клапанов или компрессионных колец. Приходится производить два замера компрессии по цилиндру с закрытой и полностью открытой дроссельной заслонкой или добавлять 3-5 мл масла для усиления масляного клина сопряжении компрессионное кольцо – гильза. Кроме того, на показатели компрессии влияют пусковые обороты коленчатого вала и температура. При разряженном аккумуляторе потеря компрессии составляет в среднем 0,1-0,2 МПа. Помимо этого, на показатели компрессии изношенной ЦПГ сильно влияет излишнее количество масла или топлива и цилиндре, сопротивление во впускном патрубке, температура масла паразитный объем переходного устройства и т.д. В самом щадящем варианте методическая погрешность оценки ЦПГ по давлению сжатия (компрессия) составляет не менее 30%.

Диагностирование состояния элементов ЦПГ при помощи Анализатора Герметичности Цилиндров АГЦ-2.

1. Полный вакуум (-Р1) и остаточный вакуум (-Р2).

Величину максимального разряжения в цилиндре, которое способна создать ЦПГ, называют полным (полезным) вакуумом (-Р1). Благодаря эффекту масляного клина, величина полного вакуума при удовлетворительном состоянии гильзы цилиндра и герметичности клапанов не бывает ниже определенного значения (-Р1min) для каждого типа ДВС и практически не зависит от состояния поршневых колец. Поэтому в зависимости от величины полного вакуума (-Р1) мы можем сделать вывод о состоянии гильзы цилиндра (эллипсность, наличие задиров).

Величину потерь давления рабочего тела в цилиндре ДВС при максимальном давлении в цилиндре называют остаточным (паразитным) вакуумом (-Р2). При удовлетворительном состоянии гильзы цилиндра и герметичности клапанов величина остаточного вакуума характеризует состояние поршневых колец – степень износа, залегание (закоксовка), поломку перемычек на поршне, поломку колец. Пневмоплотность закрытия клапанов, а также наличие трещин в днище поршня, в головке блока ДВС в большей мере влияет на значение величины соотношения Р1/Р2, соответственно в случае пониженного значения величины Р1/Р2 от номинально допустимых, можно выявить неполадки, связанные с клапанами, трещинами в деталях. Причем степень расхождения с номинальными значениями Р1/Р2 позволяет разделить негерметичность клапанов или же трещины в деталях.

2. Преимущества вакуумного метода диагностики перед существующими методиками диагностирования состояния ЦПГ.

На основе представленных нормативных значений рассчитаем информативность и методическую погрешность метода на примеребензинового ДВС. Итак, диапазон изменения параметра 0,84-0,17=0,67 (кгс/см2), соответственно информативность 0,67/0,84=80%. Абсолютная методическая погрешность находится в пределах 0,04 (кгс/см2), а относительная 0,04/0,67=6%. В сравнении с методической погрешностью (30%) и информативностью (» 20%) компрессометра вакуумный метод выглядит гораздо предпочтительней, т.к. позволяет не только «распознавать» неисправность, но и прогнозировать остаточный ресурс.

Основные преимущества перед существующими методами диагностики:

  • Простота. Не требуется длительной диагностики и дорогостоящего оборудования.
  • Доступность. Сравнительно низкая стоимость плюс отсутствие необходимости в дополнительном оборудовании делают АПЦ/АГЦ-2 доступным для любого автомеханика.
  • Достоверность. Методика основана на естественных условиях работы элементов ЦПГ и поэтому снижается влияние субъективных оценок и косвенных признаков.
  • Надежность. Простота конструкции и отсутствие сложных систем анализа снижает количество отказов и ошибок.

Данная методика разработана ГОСНИТИ (Государственный научно-исследовательский институт ремонта и эксплуатации автотракторной техники), владельцы патента на «Способ диагностирования цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания» № 2184360 – Николай Тихонович Иванов, Виктор Анатольевич Чечет, Юлия Анатольевна Чечет.

2.1. Замеры величин (-Р1) и (-Р2).

Замер полного вакуума (-Р1). При движении поршня вверх на такте сжатия (Рис. 1) рабочее тело через редукционный клапан практически полностью выталкивается из камеры сгорания в атмосферу. Далее после ВМТ поршень начинает двигаться вниз, редукционный клапан закрывается, и в цилиндре создается разряжение. Посредством вакуумного клапана фиксируется максимальное значение разряжения, которое способна создать ЦПГ двигателя в данном цилиндре. Значение величины полного вакуума (-Р1) фиксируется на вакуумметре.

Рис.1 Схема замера полного вакуума (-P1).

Замер остаточного вакуума (-Р2).

Если при движении поршня вверх (Рис. 2) на такте сжатия надпоршневое пространство будет перекрыто, т.е. в камере сгорания будет нагнетаться максимальное давление, то часть рабочего тела через поршневые кольца будет проникать в картер двигателя, соответственно масса рабочего тела в начале такта сжатия в конце такта рабочего хода будет уменьшаться на величину утечек Dm через поршневые кольца. Эта величина на рис.2 обозначена как h. Соответственно, не доходя h до НМТ в цилиндре будет возникать разряжение, которое фиксируется вакуумным клапаном и величина которого снимается с показания вакуумметра.

Читать еще:  Вакуумная схема управления двигателем

Рис. 2 Схема замера остаточного вакуума (-P2).

Во время замера (-Р2) прибором АГЦ необходимо, перед тем, как начать вращение КВ, нажать на кнопку сброса и держать 2-3 сек. после начала вращения КВ. Отпустив кнопку сброса, отследить значение (-Р2). Это необходимо делать потому, что во время остановки двигателя до подключения АГЦ к цилиндру поршень может находиться выше НМТ на такте сжатия, т.е. начал движение вверх, или при движении вниз на рабочем ходе не опустился до НМТ. Если не открывать клапан сброса в этих ситуациях, то вакуумный клапан зафиксирует часть значения полного вакуума (-Р1), что как правило, значительно больше по величине, чем значение остаточного вакуума (-Р2). Более того, в процессе замера (-Р2) рекомендуется несколько раз подряд сбросить показания нажатием кнопки сброса для подтверждения значения (-Р2), зафиксированного на вакуумметре, в процессе вращения КВ.

2.2. Анализ состояния ЦПГ по величинам значений (-Р1) и (-Р2).

Как было отмечено выше, минимальное значение полного вакуума при плотно закрытых клапанах не зависит от состояния поршневых колец благодаря эффекту «масляного клина». В свою очередь, величина (-Р2) при плотно закрытых клапанах отражает количество утечек через поршневые кольца, т.е. характеризует пневмоплотность поршневых колец. Пневмоплотность закрытия клапанов, а также наличие трещин, влияет на величину (-Р1) и (-Р2) одновременно. Экспериментальные исследования, подкрепленные большим статистическим материалом, позволили обосновать основные нормативные значения показателей (–Р1) и (–Р2) для дизельных и бензиновых двигателей.

Величина среднего давления в цилиндре дизельного двигателя

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ДИЗЕЛЯ

Ранее указывалось, что одним из важнейших параметров рабочего процесса транспортного дизеля является период запаздывания самовоспламенения, от которого в значительной степени зависит характер процесса сгорания топлива. Последний оказывает влияние на характер нарастания давления по углу по ворота коленчатого вала, а также на величины максимального и среднего индикаторного давлений. Таким образом, запаздыва ние самовоспламенения влияет на динамику и экономичность рабочего процесса.

Продолжительность запаздывания самовоспламенения зависит от ряда факторов, которые связаны с величиной скорости физико-химических процессов, происходящих с топливом от начала подачи до начала сгорания. К числу таких факторов относятся: химический состав топлива, начальные условия на впуске, начало впрыска, состав смеси, нагрузка и число оборотов, конструктивные факторы.

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОПЛИВА

В дизелях воспламенение рабочей смеси связано с температурой самовоспламенения топлива, которая, при прочих равных условиях, зависит от химического состава топлива . Химический состав топлива оказывает весьма существенное влияние на продолжительность периода запаздывания самовоспламенения. Замечено, что чем больше в топливе содержится парафиновых углеводо родов с нормальным строением, тем меньше период запаздывания самовоспламенения. Наоборот, чем больше ароматических углеводородов , тем больше период запаздывания. Нафтеновые угле водороды занимают в этом отношении промежуточное положение между парафиновыми и ароматическими.

Связь между химическим составом смеси и запаздыванием самовоспламенения очевидна. Таким образом, если известно запаздывание самовоспламенения топлива, то не трудно определить его цетеновое число, показывающее процентное содержание цетена всмеси с а-метилнафталином, которая по призна ку задержки самовоспламе нения равноценна испытуемому топливу. Дизельные сорта топлив при оценке по признаку воспламенения пол ностью охватываются цете новой шкалой.

ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ НА ВПУСКЕ

Начальными условиями на впуске являются: давление и тем пература воздуха, поступающего в цилиндр двигателя, а также концентрация кислорода в воздухе. Изменение давления и температуры связано с наддувом и дросселированием, а так же с изменением состояния окружающей атмосфе ры; концентрация кислорода — с содержанием водяных паров и инертных газов в воздухе. Увеличение давления среды, куда впрыскивается топливо, резко снижает температуру самовоспла менения, поэтому изменение давления на впуске, а следовательно и в конце сжатия, отражается на периоде запаздывания самовос пламенения.

Повышение давления на впуске, а равно и в конце сжатия увеличивает плотность воздуха, в результате улучшается теплообмен между воздухом и топливом и повышается концентрация кис лорода, способствующая быстрейшему окислению топлива. Это приводит к снижению запаздывания самовоспламенения и более плавному развитию процесса сгорания топлива, характеризуемого снижением степени повышения давления λ . Несмотря на то, что при повышении давления на впуске максимальное давление сгорания возрастает, отношение максимального давления рг к среднему индикаторному давлению Pi, как показывают опыты, понижается, обусловливая снижение

степени неравномерности крутящего момента.

При уменьшении давления на впуске (дросселирова нием) давление конца сжатия и концентрация кислорода умень шаются. Уменьшение концентрации кислорода вызывается еще и тем обстоятельством, что относительное содержание остаточ ных газов увеличивается. Поэтому имеются все предпосылки к увеличению периода запаздывания самовоспламенения.

При исследовании вопроса влияния давления на впуске на продолжительность запаздывания самовоспламенения не учитыва лось изменение температуры воздуха в конце сжатия, которое также оказывает влияние.

Опытами установлено, что примесь паров воды к воздуху тормозит реакции, предшест вующие самовоспламенению, и реакции сгорания топлива . Введение водяных паров в камеру сгорания может оказать отрицательное действие на рабочий процесс быстроходного дизеля. Наблюдаемое иногда на практике повышение мощности и снижение расхода топлива при добавлении паров воды во впускной трубопровод объясняется неудачной конструкцией двигателя, в котором имеются ненормально горячие поверхности, и сгорание протекает с копотью и нагаро-образованием.

ВЛИЯНИЕ НАЧАЛА ВПРЫСКА ТОПЛИВА

В двигателе параметры теплового процесса связаны по вре мени с движением поршня и зависят прежде всего от скорости и своевременности сгорания топлива. Момент начала впрыска топлива в дизель оказывает значительное влияние на период запаздывания самовоспламенения и тем самым на пара метры рабочего процесса: скорость нарастания давления, максимальное давление сгорания, полноту и продолжительность сгорания и, следовательно, на мощность и экономичность двигателя.

Из результатов испытаний видно , что абсолютная величина наивыгоднейшего угла опере жения впрыска для каждой камеры сгорания различна. Одина ковое максимальное давление устанавливается при разных углах опережения впрыска, которым соответствует разная продолжи тельность задержки самовоспламенения и разные средние индика торные давления. В данном случае наивыгоднейшей по эконо мичности процесса является камера сго рания с вихреобразованием.

Двигатели с вихревой камерой ме нее чувствительны к углу опережения впрыска, чем двигатели с непосредствен ным распиливанием топлива. Таким образом, абсолютное значение наивыгоднейшего угла опережения впрыска зависит от ряда факторов, в том числе от способа смесеобразова ния и начальных условий на впуске.

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ

Основными конструктивными факто рами, влияющими на мощность двигателя, являются: степень сжатия, конструкция камеры сгорания, материал поршня, а также качество рас пыливания и продолжительность пода чи топлива.

Влияние степени сжатия
Увеличение степени сжатия повышает начало впрыска давление и температуру к концу сжатия. Это приводит к увеличению концентрации кислорода и улучшению

теплообмена между впрыснутым топливом и воздухом. Таким путем сокращается период подготовки топлива к воспла менению, что выгодно отражается на протекании рабочего процесса.

С увеличением степени сжатия значительно сокращается период запаздывания самовоспламенения, снижается скорость нарастания давления, работа двигателя

становится более плавной. Максимальное да вление сгорания возрастает; удельный индикаторный расход топлива уменьшается, поскольку повышается среднее индика торное давление, вызывающее увеличение индикаторного к. п. д. Пусковые качества двигателя улучшаются. Влияния свойств топлив, в смысле продолжительности задержки самовос пламенения, с увеличением ε значительно сглаживаются.

При выборе степени сжатия, стремясь получить высокое сред нее эффективное давление и хорошую экономичность, прихо дится считаться с величиной максимального давления сгорания и чувствительностью двигателя к опережению впрыска. Особенно чувствительны к углу опережения впрыска двигатели с повы шенной степенью сжатия, работающие с неразделенной камерой сгорания; двигатели с вихревыми камерами в этом отношении менее чувствительны. В двигателе с небольшой степенью сжатия путем увеличения угла опережения впрыска можно получить высокое среднее эффективное давление, но при этом наблюдается увеличение периода задержки самовоспламенения, что создает жесткую работу двигателя со стуками и вибрацией.

Читать еще:  Анализ выхлопных газов автомобиля и их связь с работой двигателя

Влияние конструкции камеры сгорания

Многочисленные конструктивные изыскания наивыгоднейшей формы камеры сгорания связаны с вопросом получения высокого среднего эффективного давления и минимального удельного эффективного расхода топлива при умеренном максимальном давлении сгорания.

Вихревое движение воздуха способствует улучшению теплообмена, сокращает запаздывание самовоспламенения. В то же время с увеличением вихревого отношения скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания увеличиваются. Соответственно возрастает среднее эффективное давление; удельный эффективный расход топлива уменьшается.

Вихревое отношение зна чительно влияет на закон сгорания топлива. На процесс смесе образования эффективное влияние оказывает вихреобразование в конце хода сжатия.

Снижение температуры отработавших газов с увеличением вихревого отношения при постоянной подаче и угле опережения впрыска указывает на равномерное распределение топлива по сечению камеры, на полноту и своевременность сгорания большей части топлива при положении поршня в в. м. т. Сочетание вихревого движения с подогревом воздуха после впуска благоприятно отражается на работе двигателя.

Влияние материала поршня

Горячие поверхности камеры сгорания сокращают период задержки самовоспламенения. Температура чугунного поршня выше температуры поршня из алюминиевого сплава вследствие меньшей теплопроводности чугуна, что способствует уменьшению периода задержки самовоспламенения.

Для двигателей с чугунным и алюминиевым поршнями, при наивыгоднейших углах опережения впрыска, посто янной нагрузке и числе оборотов удельные индикаторные расходы топлива оказались одинаковыми. В случае работы двигателя с чугунным поршнем процесс сгорания развивался более плавно (максимальное давление ниже на 6—8 кг/см 2 , умень шился наивыгоднейший угол опережения впрыска на 6—8 0 угла поворота коленчатого вала, что выгодно отразилось на процессе сгорания и на виде индикаторной диаграммы. Опыты показывают, что при одном и том же максимальном давлении сгорания среднее индикаторное давление при чугунном поршне при близительно на 1,5 кг/см 2 больше, чем при алюминиевом.

Влияние мелкости распыливания и продолжительности подачи топлива

Мелкость распыливания заметно влияет на время сгорания поскольку мелкие капли топлива, перемешиваясь с воздухом равномерно распределяются по объему камеры сгорания и образуют более однородную смесь. Одной из причин увеличения угла опережения впрыска у двигателей с неразделенными камерами сгорания по сравнение с двигателями других конструкций являются образование неоднородной смеси по объему камеры и начало дымления при боль шем коэффициенте избытка воздуха. Мелкое распиливание ско рее приводит к гомогенной реакции топлива с воздухом, так как скорость испарения топлива при данном давлении и температуре зависит, главным образом, от размеров капли и ее скорости относительно воздуха. Наконец, мелкораспыленное топливо менее склонно к нагарообразованию. Опытами установлено, что давле ние распиливания практически не влияет на период запаздыва ния самовоспламенения, но мелкость распиливания связана с да влением распиливания.

Влияние вихревого движения воздуха в цилиндре, создаваемое за счет тангенциального выхода из продувочных окон, подогрев воздуха от днища чугунного поршня и высокое давление распыливания приводят к углу опережения впрыска, равному 12,5°, что для двигателей с неразделенной камерой встречается редко.

Продолжительность впрыска топлива сильно сказывается на процессе сгорания и параметрах рабочего процесса. Изменяя продолжительность впрыска, можно получить разные индикаторные диаграммы при одной и той же подаче топлива на цикл Продолжительность подачи определяется по углу поворота коленчатого вала и зависит от профиля кулачка топливного насоса, диаметра плунжера, длины и диаметра топливного трубопровода, конструкции и регулировки форсунки. Подачу топлива можно охарактеризовать двумя способами, взяв за основу или количество топлива в граммах, впрыскиваемого через форсунку, на каждый градус поворота вала насоса, или суммарное количество топлива, поступившее в цилиндр от начала впрыска до рассматриваемого момента. Первый способ характеризует подачу топлива насосом в каждый момент времени; второй — суммарный закон подачи топлива в цилиндр за текущее время. Для выяснения вопроса, как влияет закон подачи по времени на работу двигателя, удобнее принять второй способ.

На рисунке представлены две индикаторные диа граммы двигателя при постоянном числе оборотов, постоянной п одаче топлива на цикл, но с разной продолжительностью впрыска.

Продолжительность впрыска, а равно количество впрыскиваемого топлива не влияют на период запаздывания самовос пламенения, поэтому период запаздывания самовоспламенения τ s , для первого и второго случаев впрыска остается постоянным, ко личество же топлива, вступающего в реакцию сгорания по углу поворота коленчатого вала, различно. Работе двигателя с растя нутым впрыском соответствует нижняя кривая подачи 1. Работе с сокращенным впрыском соответствует верхняя кривая подачи 2; в этом случае поступает большее количество топлива. Следовательно, при сокращенном впрыске после воспламенения большее количество топлива вступает в реакцию сгорания, выделяется большее количество теплоты, величины скорости нарастания давления и максимального давления сгорания возрастают Растянутый по времени впрыск не только снижает величину скорости нарастания давления и

максимальное давление сгорания, но приводит к догоранию по линии расшире ния, площадь индикаторной диаграммы уменьшается, индикатор ный к. п. д. снижается. Сокращение продолжительности впрыска при одной и той же подаче топлива уменьшает величину наивы годнейшего угла опережения впрыска. При изменении подачи топлива на цикл приходится изменять угол опережения впрыска Так, например, с уменьшением подачи, что соответствует частичным нагрузкам двигателя, условия подготовки топлива ухудшаются, поэтому угол опережения впрыска увеличивают. Устранить необходимость изменения угла опережения впрыска можно за счет закона подачи, подобрав конструкцию насоса так, чтобы с изменением подачи менялось начало впрыска. Последнее более вы годно с точки зрения подготовки топлива к воспламенению.

Влияние закона подачи то плива на вид индикаторной диаграммы дизеля.

МОЩНОСТЬ ДИЗЕЛЯ

СРЕДНЕЕ ИНДИКАТОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Во время перемещения поршня давление газов в цилиндре изменяется. Сила давления газов на поршень в связи с этим также является величиной переменной. Работа, как мы знаем, равна произведению силы да путь (перемещение). Таким образом, работа газов за рабочий цикл может быть подсчитана как сумма произведений давления в цилиндре на каждом маленьком участке (где это давление можно принять постоянным) на перемещение поршня на этом участке. Эта сумма соответствует площади индикаторной диаграммы. Таким образом, площадь диаграммы, очерченная линией 3—4—5—3 (см. рис. 25), выражает полезную работу газов, которую они совершают в цилиндре за один рабочий цикл. Однако оценивать работу цикла по площади индикаторной диаграммы во многих случаях неудобно. Поэтому введено понятие среднего индикаторного давления. Условно приняли, что величина этого давления не изменяется, т. е. является постоянной (рис. 29) в течение ходапоршня.

Рис. 29. Определение среднего индикаторного давления

Тогда графически среднее индикаторное давление представляет собой высоту заштрихованного прямоугольника, площадь которого равна площади индикаторной диаграммы, а основание равно длине диаграммы. Средним индикаторным давлением называют условное, постоянное по величине давление, при котором работа за один цикл равна работе газов в цилиндре. В тепловозных дизелях среднее индикаторное давление pi находится в пределах 0,58—1,76 МПа (6—18 кгс/см2). Прежде чем перейти к подсчету работы и мощности дизеля, выясним, что такое энергия.

ПОНЯТИЕ ОБ ЭНЕРГИИ

Слово энергия происходит от греческого слова energia, что значит действие, деятельность. Различают энергию кинетическую и потенциальную. Кинетической энергией обладает любое движущееся тело: поезд, вода, ветер, пуля. Потенциальной, или скрытой, энергией обладает тело, находящееся на высоте. Поднимем, например, боек молота на некоторую высоту и будем удерживать его в этом положении посторонней силой. На поднятие бойка нам пришлось затратить работу, которую нетрудно подсчитать, если его массу умножить на высоту подъема. Пока боек поднят, он обладает запасом потенциальной энергии, накопленной по мере того, как его поднимали. Если теперь отпустить боек, то во время падения потенциальная энергия переходит в кинетическую (энергию движения). Исчезнуть энергия не может: она только переходит из одного вида в другой. Это утверждение основано на известном законе сохранения энергии. На первый взгляд кажется, что когда, например, катящийся с горки вагон останавливается, то запас его кинетической энергии куда-то «исчезает». На самом деле кинетическая энергия переходит в тепловую при трении деталей тормозных устройств. Мы не замечаем этого потому, что нагревание окружающей среды незначительно. Зато мы можем увидеть покраснение тормозных колодок при резком торможении поезда.
Каждый вид энергии может переходить в другой, причем определенное количество «исчезнувшей» энергии одного вида даст эквивалентное (равноценное) ему количество энергии другого вида. Иными словами, каждая единица теплоты может дать строго определенное количество работы, и, наоборот, каждая единица работы может дать определенное количество теплоты.
При работе двигателя внутреннего сгорания каждый килограмм жидкого топлива при сгорании выделяет определенное количество теплоты. Тепловой эффект любого вида топлива, в частности дизельного, характеризуется теплотой сгорания, т. е. тем количеством теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг данного топлива.
Чем же измеряется теплота сгорания топлива? Количество теплоты измеряют в джоулях подобно тому, как сила измеряется в ньютонах, а длина — в метрах. Установлено, что 1 кг дизельного топлива при полном сгорании способен выделить тепла до 42 500 кДж (10 151 ккал). Сходство между теплотой и работой в том, что они подобны. Это вытекает из одного из основных законов термодинамики— науке о превращении теплоты и работы друг в друга.

Читать еще:  Двигатель 4ас технические характеристики

ПОДСЧЕТ РАБОТЫ И МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЯ

Работа поршня определяется произведением силы, действующей на поршень, на пройденный путь. Перемещения поршня ограничиваются его крайними положениями. Как упоминалось выше, ход поршня и диаметр цилиндра — величины, весьма важные для дизеля. Если площадь поршня умножить на среднее индикаторное давление, то получим среднюю силу, приложенную к поршню. Если теперь эту силу умножить на расстояние, проходимое поршнем от верхней до нижней мертвой точки, то найдем работу, которую совершают газы, действующие на поршень, за один ход в одном цилиндре.
Поясним это примером. Пусть среднее индикаторное давление равно 0,98 МПа (10 кгс/см2) , а площадь поршня 0,08 м2 (800 см2) . Тогда сила, действующая на поршень такого дизеля, составит 0,98 X 0,08 = 78,4 кН = 78 400 Н (или 800X10 = 8000 кгс).
Пусть ход поршня равен 330 мм, или 0,33 м (дизели типа Д50). Работа, которую произведет газ при движении поршня из верхней мертвой точки к нижней, будет равна произведению силы на величину перемещения, т. е. на ход поршня: 78400X0,33 = 25 872 Н-м (или 8000X0,33 = 2640 кгс-м).
Мы подсчитали работу, которую совершает газ в одном цилиндре за один рабочий ход поршня. В четырехтактном дизеле рабочий ход происходит в течение двух полных оборотов коленчатого вала. Значит, за один оборот вала в среднем совершается работа в два раза меньше, т. е.
25 872:2 = 12936Н-м, или 2640_2=1320 кгс-м.

Теперь подсчитаем мощность дизеля. Предположим, что коленчатый вал делает в минуту 750 оборотов, или 750X60 = 45 000 об/ч. Так как работа газа за один оборот вала составляет в нашем случае 12 936 Н-м, то, следовательно, за 1 ч она будет равна
12 936X45 000 = 582120 000 Н-м (т. е. 582 120 000 Дж, так как Н-м = Дж), или 1320Х X45000 = 59 400 000 кгс-м.
Мощностью называется работа, выполненная в единицу времени (в секунду). Если за 1 с будет совершена работа в 736 Н-м (75 кгс-м) , то эту мощность условно называют одной лошадиной силой (0,736 кВт, или 736 Вт = 75 кгс -м/с). Значит, работа, выполненная при мощности 736 Вт (1 л. с.) за 1 ч, будет равна 736X Х3600 = 2 649 600 Н-м (= Дж), или 75X3600 = 270 000 кгс-м.
Следовательно, индикаторная мощность в киловаттах одноцилиндрового двигателя определится, если работу в джоулях за 1 ч разделить на 3600 с: 582 120 000 : 3600 = 162 кВт, а в лошадиных силах, если величину часовой работы 59 400 000 кгс-м разделить на 270 000, т. е. 59 400 000:270 000 = 220 л. с .
Однако полезная, или эффективная, мощность, измеряемая (реализуемая) на коленчатом валу, будет меньше индикаторной, так как часть мощности расходуется на преодоление сопротивлений в трущихся частях шатунно-кривошипного механизма и на привод вспомогательных механизмов (насосы, воздуходувка и др.).
Величина этих потерь зависит от величины зазоров, качества обработки деталей, температуры и вязкости масла и в среднем для номинального режима работы может быть принята равной около 20%. Тогда для нашего случая эффективная мощность для одного цилиндра равна 162 X 0,8 = 130 кВт, пли 220X0,8= 176 л. с, а для шести цилиндров дизеля в 6 раз больше, т. е. 780 кВт, или 1056 л. с. Мощность современных тепловозных дизелей достигает 2210, 4400 кВт (3000, 6000 л. с.) в одном агрегате.

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЯ

Непрерывное увеличение мощности тепловозных дизелей — одно из важнейших направлений развития тепловозостроения как в нашей стране, так и за рубежом. Однако решение этой задачи значительно осложняется тем, что тепловоз является транспортной машиной, размеры которой ограничены габаритом подвижного состава, а вес — нагрузками на рельсы. Увеличение размеров цилиндра или их числа повышает вес дизеля. Поэтому осуществлять дальнейший рост мощности тепловозных дизелей только за счет этого нельзя. Практика показывает, что для V-образных дизелей число цилиндров должно быть не более 20.
Как же увеличить мощность дизеля при тех же габаритных ограничениях?
Одним из путей является применение двухтактного дизеля, у которого рабочий цикл, как указывалось выше, осуществляется за один оборот коленчатого вала. Иными словами, в двухтактном двигателе при тех же размерах и той же быстроходности совершается в единицу времени в два раза больше рабочих циклов, чем в четырехтактном. Казалось бы, что при одинаковом рабочем объеме и той же частоте вращения вала мощность двухтактного дизеля должна быть в 2 раза больше мощности четырехтактного дизеля. Однако практически она возрастает только в 1,5— 1,7 раза, так как часть мощности приходится расходовать на привод нагнетателя воздуха, необходимого для пуска и продувки цилиндров; кроме того, часть хода поршня, при котором совершается расширение газа, приходится на период, когда открываются выпускные окна (клапаны) и газы в это время почти не совершают полезной работы.
Другой путь повышения мощности — увеличение частоты вращения вала дизеля. Чем быстрее будет вращаться коленчатый вал, тем большее число рабочих циклов в единицу времени будет выполнено и тем большая работа будет произведена в единицу времени. Однако возможность увеличения частоты вращения вала дизеля ограничивается прочностью отдельных деталей его и интенсивностью их износа, который возрастает с ростом скорости движения деталей. Скорость же деталей шатунно-кривошипного механизма зависит не только от частоты вращения вала, но и от величины хода поршня, поэтому принято при определении быстроходности двигателя исходить из средней скорости поршня, которая у современных дизелей достигает 10—12 м/с. Третий путь предусматривает повышение мощности дизеля увеличением работы, выполняемой в цилиндрах двигателя в течение каждого рабочего цикла. А чтобы увеличить эту работу, надо сжечь в цилиндрах больше топлива. Но для этого потребуется больше воздуха . Весовое количество воздуха, которое может уместиться в цилиндре, возрастает с увеличением давления и понижением температуры воздуха. Повысить давление воздуха перед поступлением в цилиндры двигателя внутреннего сгорания можно с помощью наддува.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector