Эффективные показатели автомобильных двигателей отличаются от индикаторных тем что

Индикаторная, эффективная мощность и другие показатели автомобильного двигателя

Основными показателями автомобильного двигателя является его мощность, крутящий момент, количество оборотов коленчатого вала, КПД.

Мощность двигателя

Что касается мощности двигателя, то есть наиболее часто применяемой характеристики двигателя, то следует различать так называемую «индикаторную» мощность и «эффективную» мощность.

Индикаторной называется мощность, которую развивают газы внутри цилиндров, во время работы двигателя, а эффективной является мощность, которая образуется на коленчатом валу двигателя и передается трансмиссии.

Как известно, в автомобильном двигателе за время рабочего цикла, энергия топлива переходит в тепловую энергию, а затем в механическую. Работа по преобразованию одного вида энергии (химической) в другую (тепловую), выполненная за цикл, называется индикаторной работой. В свою очередь, индикаторная работа, выполненная за одну секунду, называется индикаторной мощностью двигателя.

Индикаторная мощность двигателя всегда пропорциональна его литражу, числу оборотов коленвала и среднему индикаторному давлению, то есть такому условному среднему давлению, которое воздействуя на поршень в течение лишь одного такта расширения, может выполнить работу, равную работе газов выполненных за весь цикл. Определяют это давление с помощью специальных приборов, устанавливаемых на двигатель и регистрирующих давление в цилиндрах во время всех четырех циклов работы.

Эффективная мощность двигателя всегда меньше, чем индикаторная. Это связано с механическими потерями в двигателе на трение поршней, шеек коленвала, затратами энергии на работу газораспределительного механизма, генератора, вентилятора охлаждения, топливного и водяного насоса и так далее.

От величины этих потерь зависит механический КПД (коэффициент полезного действия) двигателя. Собственно говоря, КПД определяет соотношение эффективной мощности двигателя к индикаторной. В современных двигателях эта величина может достигать 0,9 и более. Практически эффективную мощность двигателя определяют, как правило, на специальных стендах.

Крутящим моментом или моментом силы называется векторная величина, равная произведению силы, которая вращает коленвал, на радиус кривошипа.

Эффективная мощность двигателя не остается постоянной, а может изменяться в зависимости от оборотов коленвала.

При увеличении оборотов мощность увеличивается, но только до определенного предела. При дальнейшем росте числа оборотов мощность двигателя уменьшается, так как цилиндры не успевают наполняться необходимым количеством горючей смеси, топливо не успевает сгорать полностью, а также возрастают потери на трение деталей. Также, с изменением частоты оборотов коленвала, кроме мощности двигателя изменяются и другие его показатели, такие как крутящий момент и удельный расход топлива (расход топлива за определенный период времени).

Видео: от чего зависит мощность двигателя.

На величину основных показателей автомобильных двигателей влияют и эксплуатационные факторы, такие как техническое состояние самого двигателя, качество применяемого топлива, состояние приборов системы питания и зажигания, а также другие факторы.

Источник статьи: http://avto-i-avto.ru/ustrojstvo-avto/indikatornaya-effektivnaya-moshhnost-i-drugie-pokazateli-avtomobilnogo-dvigatelya.html

ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

1. Индикаторные показатели. Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием и дизеля.

2. Механические потери в двигателе

3. Эффективные показатели двигателя.

4. Тепловой баланс двигателя.

1. Индикаторные показатели. Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием и дизеля.

Индикаторные показатели двигателя характеризуют работу, которая совершается газами в цилиндре двигателя. Они зависят от полноты и своевременности сгорания, а также от тепловых по­терь в систему охлаждения и с отработавшими газами.

Влияние различных факторов на индикаторные показатели дви­гателя с искровым зажиганием.

Степень сжатия двигателей с ис­кровым зажиганием составляет от 7 до 11. Увеличение степени сжатия существенно повышает индикаторные показатели η_i и p_i улучшает условия воспламенения, что позволяет на частичных на­грузках обеднять смесь. С ростом ε уменьшается поверхность каме­ры сгорания, но возрастает температура в цилиндре, поэтому теплообмен между рабочим телом и стенками камеры сгорания мо­жет проходить более интенсивно. При увеличении е растут меха­нические и тепловые нагрузки налетали двигателя, выбросы N0_х и СН, повышаются требования к октановому числу топлива.

Размеры цилиндра влияют на процессы теплообмена. С увели­чением диаметра цилиндра для обеспечения работы без детона­ции следует использовать топливо с более высоким октановым числом. Увеличение D при неизменной е из-за снижения теплоотвода в стенки повышает η_i.

Состав смеси существенно влияет на процесс сгорания и на индикаторные показатели (рис. 6.1, а). Максимальные значения η_i и p_i зависят от протекания процесса сгорания, конструкции двигателя, а также от частоты вращения и положения дроссельной заслонки.

Pис. 6.1. Зависимости индикаторного КПД от коэффициента избытка воздуха для двигателя с искровым зажиганием (a) и дизеля (б)

Максимум η_i достигается при обедненных смесях (α = 1,05…1,1), что обусловлено улучшением полноты сгорания и ростом доли в продуктах сгорания двухатомных газов. При этом получается оп­тимальное сочетание полноты и скорости сгорания с теплоотводом в стенки. Дальнейшее обеднение смеси приводит к существен­ному снижению скорости ее сгорания и к возникновению про­пусков воспламенения. По этой причине сгорание будет заканчи­ваться позже, а отвод теплоты в стенки увеличится.

Максимальное значение p_i достигается при несколько обога­щенных смесях, при которых сгорание происходит с максималь­ной скоростью.

При полностью открытой дроссельной заслонке η_i достигает максимума при α= 1,1 … 1.3, а p_i — при α = 0,85… 0,95.

Угол опережения зажигания определяет положение процесса сгорания топлива относительно ВМТ. Каждому режиму работы двигателя (сочетанию степени открытия дроссельной заслонки, коэффициента избытка воздуха α и частоты вращения n) соответ­ствует свое оптимальное значение угла φ_{о.з. опт}, при котором одно­временно достигают максимума η_i и p_i.

При φ_о.з.>φ_{о.з. опт} (раннее зажигание) интенсивно увеличива­ются максимальная температура Т_z и давление цикла р_z. Это вызы­вает повышенные тепловые потери в систему охлаждения, а так­же утечки газов через поршневые кольца.

При φ_о.з. ухудшается распыливание топлива и повышается относительное количество теплоты, теряемой в ох­лаждающую среду.

Уменьшение потерь теплоты в систему охлаждения позволяет повысить η_i. Это достигается соответствующей организацией ох­лаждения, разработкой специальных конструкций деталей и при­менением для их изготовления материалов с низкой теплопро­водностью, использованием теплозащитных покрытий на стен­ках, формирующих камеру сгорания.

Степень сжатия выбирается из условия надежного пуска хо­лодного дизеля. При ее дальнейшем повышении прирост η_i неве­лик, но при этом повышаются утечки заряда через кольца в кар­тер, потери теплоты в охлаждающую среду, доля воздуха в «мер­твых» зонах камеры сгорания. Также существенно возрастают ме­ханические нагрузки налетали и требуются большие затраты мощ­ности на прокручивание дизеля при пуске.

Тип камеры сгорания определяет характер протекания процес­са смесеобразования. Разделенные камеры сгорания в сравнении с неразделенными имеют большую поверхность стенок, что обус­ловливает повышенные тепловые потери. К тому же перетекание заряда через горловину увеличивает газодинамические потери. Все это обусловливает снижение η_i.

Однако разделенные камеры сгорания позволяют форсировать дизель по частоте вращения, так как требования к качеству смесе­образования для них ниже. Такой дизель может работать бездымно и с меньшей токсичностью отработавших газов при относительно малых значениях α.

Характеристики впрыскивания и распыливания для получения высокого η_i должны обеспечивать завершение тепловыделения че­рез 35…40° после ВМТ. Они не должны иметь в конце впрыскива­ния медленного снижения его скорости или подвпрыскивания, так как это приводит к снижению η_i, сильному дымлению и закоксовыванию распыливающих отверстий.

При малой скорости нарастания давления в начале впрыскива­ния обеспечивается «мягкая» работа дизеля.

При увеличении угла опережения впрыскивания φ_о.вп. растут мак­симальное давление сгорания, скорость нарастания давления, по­тери теплоты в охлаждающую среду, температура головки и ци­линдра, а температура отработавших газов снижается.

Скорость движения заряда, создаваемая при впуске, обусловлена типом смесеобразования, количеством распыливающих отверстий в форсунке и диаметром камеры сгорания. Увеличение этих отверстий и уменьшение диаметра камеры сгорания приводит к уменьшению необходимой скорости движения заряда и, следовательно, к росту коэффициента наполнения η_V. Увеличение скорости движения заря­да вызывает повышение p_i и η_i. Однако в случае большего количества сопловых отверстий при определенной скорости дальнейшее ее по­вышение приводит к перезавихрению. Это вызывает увеличение не­полноты сгорания топлива и повышение дымления.

Увеличение частоты вращения при неизменном α приводит к некоторому росту η_i благодаря уменьшению неполноты сгорания и снижению потерь теплоты в охлаждающую среду, которые обус­ловлены улучшением распыливания топлива при повышении интенсивности движения заряда.

Угол опережения впрыскивания при повышении частоты враще­ния должен увеличиваться для компенсации возрастания продол­жительности впрыскивания и периода задержки воспламенения, выраженных в градусах ПКВ. Изменение φ_о.вп. в дизелях осуществ­ляется автоматическим устройством.

Состав смеси при повышении частоты вращения определяется изменением скоростных характеристик топливоподачи, η_V , а для дизелей с наддувом — изменением плотности воздуха ρ_к. Для обес­печения требуемого характера изменения p_i , экономичной и без­дымной работы дизеля регулируют состав смеси.

Параметры окружающей среды влияют на массовое наполне­ние цилиндров дизеля воздухом. С увеличением температуры и снижением давления атмосферного воздуха оно уменьшается. Если подача топлива неизменна, снижается α и, следовательно, умень­шатся η_i и p_i .

Работа дизелей с газотурбинным наддувом мало зависит от ат­мосферных условий.

2. Механические потери в двигателе

Механические (внутренние) потери состоят из потерь всех ви­дов механического трения, потерь на привод вспомогательных меха­низмов (жидкостного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и др.), на осуществление газообмена, вентиляци­онных потерь, возникающих при движении подвижных деталей двигателя при больших скоростях в воздушно-масляной среде, а также на привод компрессора. Газодинамические потери на перете­кание заряда между полостями разделенной камеры сгорания также относят к механическим потерям.

Потери на трение в общем объеме механических потерь дости­гают 80 %. Потери на трение между поршневой группой и цилин­дром составляют 45…55 %, а в подшипниках — до 20% от всех механических потерь.

Факторы, влияющие на уровень механических потерь: силы, нагружающие трущиеся подвижные сочленения двигателя; средние по времени значения сил инерции, действующих в под­вижных сопряжениях, определяют потери на трение; силы упругости поршневых колец не зависят от режима работы двигателя; они особенно велики при сгорании в области ВМТ, когда мала скорость движения кольца, что изменяет режим тре­ния и вызывает повышенный износ верхней части гильзы; тепловой режим двигателя влияет на вязкость смазочного мас­ла и, следовательно, на характер трения; частота вращения (при ее увеличении) вызывает рост сил инерции и относительных скоростей трущихся пар, повышает температуру и снижает вязкость масла, обусловливая увеличение потерь на зрение; нагрузка (при ее увеличении) приводит к росту газовых сил и повышению температуры двигателя, что вызывает снижение вяз­кости масла; однако потери на трение сравнительно мало зависят от нагрузки; эксплуатация двигателя — на начальной стадии жизненного цикла двигателя в процессе приработки деталей потери на трение постепенно снижаются, затем стабилизируются, а на завершаю­щей стадии растут.

Потери на газообмен связаны с неодинаковыми величинами работ впуска и выпуска, сумма которых в основном отрицательна. Она может быть положительной при наддуве четырехтактного дви­гателя от компрессора, приводимого коленчатым валом, а также на отдельных режимах при газотурбинном наддуве. Потери на га­зообмен возрастают: при увеличении сопротивления впускной и выпускной систем и скорости движения газов; с ростом частоты вращения; при уменьшении нагрузки в двигателе с искровым зажиганием из-за прикрытия дроссельной заслонки (растет сопротивление системы впуска и снижается положительная работа при впуске).

В высокооборотных двигателях с газотурбинным наддувом по­тери на газообмен могут составлять более 25% от механических потерь. Это обусловлено ростом работы выталкивания при уста­новке на выпуске газовой турбины.

Вентиляционные потери в двигателе незначительны. Они зави­сят от частоты вращения и растут пропорционально n 2 .

Потери на привод вспомогательных механизмов зависят от час­тоты вращения пропорционально n 2 и обычно составляют 5… 10 % от механических потерь.

Практически на все рассмотренные составляющие механичес­ких потерь существенно влияет повышение частоты вращения п. Увеличение числа цилиндров или рабочего объема при сохране­нии отношения S/D ведет к снижению механических потерь.

3. Эффективные показатели двигателя

Эффективные показатели характеризуют работу двигателя, пе­редаваемую потребителю. К числу эффективных показателей от­носят эффективную мощность, эффективный крутящий момент, удельный эффективный расход топлива, эффективный КПД и среднее эффективное давление. Последнее определяется соотно­шением р_е = р_i· η_м.

Эффективные показатели двигателя формируются при совмест­ном воздействии на них индикаторных и механических показателей.

Рассмотрим влияние различных факторов на эффективные по­казатели двигателя.

Среднее давление механических потерь p_м уменьшается при вы­полнении следующих требований:

1) выбор оптимальных температурных параметров системы охлаждения и их поддержание в эксплуатации на всех режимах работы двигателя;

2) формирование рациональной конструкции двигателя и его агрегатов, включающее: использование минимального количества поршневых колец; обеспечение при проектировании и производстве требуемых жесткости и формы, а также качества поверхностей деталей тру­щихся пар; обеспечение надежного жидкостного трения трущихся пар за счет согласования соответствующих параметров системы смазы­вания, трущихся пар и смазочного масла; оптимизация производительности в зависимости от режима работы двигателя, его вспомогательных механизмов и агрегатов (жидкостного и масляного насосов, вентилятора и т.п.); выбор конструкции, размеров впускной и выпускной систем для минимизации потерь на газообмен, а также обеспечение в эксплуатации неизменного их сопротивления;

3) выбор современных материалов и технологий изготовления деталей для улучшения смазывания трущихся пар в целях повы­шения долговечности и снижения потерь на трение;

4) подбор качественного смазочного материала, который при минимально возможной вязкости, жидкостном трении и прием­лемом угаре обеспечивает надежную работу двигателя в течение длительного срока службы;

5) оптимизация типа, размеров, частоты вращения и характе­ристик компрессора под заданные расход газа и степень повышения давления во всем диапазоне режимов работы двигателя путем регулирования, например, на малых нагрузках — перепуская часть воздуха или изменяя частоту вращения компрессора;

6) переход в дизелях от разделенных к неразделенным (однополостным) камерам сгорания для исключения газодинамичес­ких потерь на перетекание заряда.

При снижении нагрузки уменьшается η_м , так как при этом p_i падает, а p_м изменяется мало.

Более интенсивно η_м снижается в двигателях с искровым зажиганием, что обусловлено увеличением потерь на газообмен при прикрытии дроссельной заслонки. На холостом ходу р_е = 0, т.е. p_i = p_м и, следовательно, η_м = 0.

С повышением частоты вращения з_м уменьшается из-за более интенсивного роста p_м при небольшом изменении p_i .

Рис. 6.3. Зависимости индикаторных, эффективных и механических показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала.

На рис. 6.3 представлено изменение основных индикаторных и эффективных показателей двигателей в зависимости от частоты вращения. Значения индикаторных и эффективных показателей автотракторных четырехтактных двигателей для номинального режима приведены в табл. 6.1.

Литровая мощность современных двигателей легковых автомобилей для двигателей с искровым за­жиганием приближается к 65 кВт/л, а для дизелей с наддувом — к 40 кВт/л.

Источник статьи: http://kursak.net/indikatornye-i-effektivnye-pokazateli/