Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
22. Эффективные показатели. Уравнения эффективной мощности, КПД, удельного эффективного расхода топлива. Значения КПД для различных двигателей. |
|||||||||||||||||||||
|
Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. Во имя получения этой работы собственно и строят двигатели внутреннего сгорания. К числу эффективных показателей относят прежде всего эффективную мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление топлива, эффективный КПД. Полезная, или эффективная, работа двигателя за один цикл , где Lмп – работа механических потерь. Разделив это выражение на рабочий объем получим
где - среднее эффективное давление, т.е полезная работа, получаемая за цикл с единицы рабочего объема цилиндра. Умножив (9.2) на , получим , где - эффективная мощность двигателя; - мощность механических потерь. Если (9.2) умножить на , то получим , где - эффективный крутящий момент двигателя; Ммп – момент механических потерь. Механический КПД двигателя
Далее, используя (9.2), можно записать . Под эффективным КПД двигателя понимают долю от всей подведенной с топливом теплоты, превращенную в полезную работу:. Далее можно преобразовать:
Удельный эффективный расход топлива или расход топлива на единицу эффективной мощности в час . Из приведенных уравнений следует, что для обеспечения высокой эффективности и экономичности работы двигателя недостаточно достижения высоких значений рi и . Необходимо также, чтобы малыми были механические потери двигателя, в том числе потери на привод компрессора. Работа, действительно затрачиваемая на сжатие и проталкивание 1 кг воздуха в компрессоре, , где - степень повышения давления в компрессоре; — адиабатный КПД компрессора, равный отношению работы при адиабатном сжатии к действительно затраченной на сжатие и проталкивание работе. Он учитывает наличие теплообмена и внутренние потери в компрессоре. Мощность привода компрессора , где Gв.с — секундная подача воздуха компрессором; — механический КПД компрессора. Используя зависимости (4.4) и (4.5) , выразим эффективные показатели через индикаторные:
;
Из (9.5) при заданных частоте вращения, количестве цилиндров и тактов можно вычислить рабочий объем цилиндра, при котором обеспечивается получение той или иной мощности. Вычисление pi производится по (4.5), рм — по уравнениям (4.8) с использованием данных табл. 4.3. По величине , задавшись S/D, определяют основные размеры двигателя. В случае использования для расчета индикаторных показателей методики, кратко изложенной в п. 2.2.2, необходимо задаться размерами двигателя по прототипу. Расчет цикла даст значения рi, и . Далее определяют рм и рe. По уравнению (9.5) вычисляют рабочий объем цилиндра и далее, задавшись S/D, основные размеры двигателя. Если они существенно отличаются от принятых по прототипу, то расчет цикла повторяется. |
23. Способы повышения и методы регулирования эффективной мощности. Количественное и качественное регулирование.
24. Литровая мощность. Способы ее повышения
(24 и 25 похожи см и то и то)
|
Литровой мощностью называют номинальную эффективную мощность, снимаемую с единицы рабочего объема двигателя:
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. Возможные способы форсирования двигателей следуют из выражения (1.6); Nл увеличивается с увеличением номинальной частоты вращения п, среднего эффективного давления ре или при применении двухтактного рабочего процесса. Увеличение литровой мощности посредством повышения п 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 в ряде конструкций дизелей легковых автомобилей трудности форсирования их по частоте вращения удается преодолеть. Появляется все большее количество дизелей с номинальной частотой вращения n = 4500...5500 мин-1 и литровой мощностью до 25 кВт/л. Для дизелей форсирование по частоте вращения менее характерно, чем для двигателей карбюраторных, для которых этот способ повышения литровой мощности является одним из основных. Из анализа зависимости (1.6), при переходе с четырехтактного рабочего цикла на двухтактный литровая мощность должна увеличиваться в два раза. В действительности же при этом Nл,увеличивается всего лишь в 1,5...1,7 раза вследствие использования лишь части рабочего объема на процессы газообмена и снижения качества очистки и наполнения цилиндров, а также в результате дополнительных затрат энергии на привод продувочного насоса. Большая (на 50...70%) литровая мощность — существенное достоинство двухтактного двигателя. Однако недоиспользование части рабочего объема цилиндра для получения индикаторной работы приводит к тому, что они имеют заметно более низкие энергоэкономические показатели, чем аналогичные четырехтактные двигатели. К недостаткам двухтактных ДВС следует отнести сравнительно 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 теплоподвода к ним в единицу времени, что объясняется вдвое более частым следованием процессов сгорания. Большим недостатком двухтактных карбюраторных двигателей является потеря части горючей смеси в период продувки цилиндра, что значительно снижает их экономичность. 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. При этом ре возрастает практически пропорционально увеличению плотности свежего заряда. На рис. 2.3 изображена схема двигателя с наддувом и механическим приводом компрессора от коленчатого вала. Рис. 2.3. Схема наддува двигателя с приводным компрессором Одним из недостатков такой системы наддува является существенное снижение экономичности двигателя, обусловленное необходимостью затрат энергии на привод компрессора. Наибольшее распространение в практике современного двигателестроения получил газотурбинный наддув, схема которого приведена на рис. 2.4. Рис. 2.4. Схема турбонаддува Здесь для привода центробежного компрессора 1 используется энергия ОГ, срабатываемая в газовой турбине 2, конструктивно объединенной с компрессором в единый агрегат, который называют турбокомпрессором (ТК). Поскольку 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. При правильном выборе геометрических параметров систем газообмена в отдельных случаях с помощью динамического наддува становится возможным увеличить 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 возможное увеличение плотности свежего заряда, поступающего в цилиндр. Поэтому при конструировании двигателей с наддувом и выборе величины давления на выходе из компрессора необходимо учитывать возможные последствия роста механических и тепловых нагрузок на его элементы. |
25. Факторы, ограничивающие пределы форсирования двигателей: по частоте вращения и с помощью наддува. Виды наддува.
(24 и 25 похожи см и то и то)
Для повышения механического к. п. д. ηм стремятся улучшить сорта смазочных материалов и способы смазки, использовать роликовые и игольчатые подшипники, по возможности разгрузить двигатель от вспомогательных механизмов, улучшить обработку и сборку деталей и узлов. Однако эти меры не могут существенно повысить литровую мощность, так как ηм уже имеет весьма значительную величину.
Число оборотов двигателя п выбирается в зависимости от его назначения, условий работы, а также срока службы. С увеличением п возрастает износ и уменьшается срок службы двигателя. Увеличение чисел оборотов повышает тепловую нагрузку цилиндра вследствие возрастания количества тепла, выделяемого в цилиндре в единицу времени. Кроме того, увеличение п ведет к возрастанию инерционных нагрузок в механизмах двигателя. Поэтому в последнее время для повышения литровой мощности широко применяется увеличение среднего индикаторного давления рi. Увеличение среднего индикаторного давления в небольших пределах достигается путем усовершенствования топливной аппаратуры и способов смесеобразования, повышения в допустимых пределах степени сжатия. Наилучшим методом, ведущим к увеличению среднего индикаторного давления, а следовательно, и к увеличению мощности двигателя, является применение наддува, т. е. увеличения веса свежего заряда. Среднее индикаторное давление находится в прямой зависимости от количества сжигаемого за каждый цикл топлива, а количество топлива, которое может сгореть, зависит от количества воздуха, подаваемого в цилиндр. Введением наддува увеличивается плотность, а следовательно, и вес заряда, поступающего в цилиндр.
Применяются следующие способы наддува;
а) дозарядка — увеличение веса свежего заряда без использования воздуха повышенного давления. При дозарядке не требуется наддувочный нагнетатель. В четырехтактных двигателях дозарядка может быть осуществлена, например, продувкой камеры сгорания за счет всасывающего действия инерции отработавших газов. Это достигается одновременным открытием всасывающих и выпускных клапанов (у в. м. т.).
В двухтактных двигателях дозарядка может быть осуществлена путем закрытия продувочных органов позднее выпускных. Это достигается при клапанной поперечной продувке с высотой продувочных окон больше, чем у выпускных (фиг. 74, г), и при прямоточной бесклапанной продувке (фиг. 74, е). Дозарядка может быть достигнута в двигателях с клапанно-щелевой продувкой (фиг. 74, д), если выпускные клапаны закрывать несколько раньше, чем закроются продувочные окна.
б) Частичный наддув, который происходит путем подачи на части хода поршня добавочного воздуха повышенного давления (рк = 1.2 ÷ 1,6 кГ/см2) помимо воздуха, засасываемого из окружающей среды.
Частичный наддув в основном выполняется при помощи наддувочного нагнетателя, навешенного на двигатель. Однако иногда в четырехтактных двигателях обходятся без него, прибегая к так называемому инерционному наддуву. В двигателе с инерционным наддувом всасывающая труба имеет значительную длину (до 8 м). Впускной клапан в первой части всасывающего хода поршня открывается на незначительную величину, в результате чего в цилиндре образуется разрежение 0,3—0,4 кГ/см2. Затем около середины хода поршня клапан быстро открывается и воздух с большой скоростью (до 200 м/сек) устремляется в цилиндр. Вследствие удлиненного всасывающего трубопровода и значительной кинематической энергии движущегося воздуха давление в цилиндре в конце наполнения повышается до 1,1 — 1 ,18 кГ/см2.
Частичный наддув в двухтактных двигателях, имеющих два ряда продувочных окон, осуществляется посредством ввода наддувочного воздуха повышенного давления (рк = 1,5 ÷ 1,6 ат) через второй ряд окон, тогда как продувочный воздух нормального давления (1,1 —1,3 ат) поступает через нижний ряд окон.
Вследствие добавочной затраты мощности на наддувочный насос эффект от такого рода наддува получается небольшой; поэтому в двухтактных двигателях частичный наддув не нашел значительного распространения.
в) Полный наддув — весь процесс зарядки производится полностью воздухом повышенного давления (рк = 1,3 ÷ 2,5 кГ/см2).
г) Высокий наддув — рк = 2 ÷ 4 кГ/см2 (и выше). Между воздуходувкой и рабочим цилиндром помещается воздушный холодильник для понижения температуры воздуха.
В двигателях с наддувом используются преимущественно центробежные нагнетатели (воздуходувки). Они могут приводиться в движение от вала двигателя с помощью зубчатых передач (фиг. 76). Однако такой привод пригоден до давления наддува не свыше рк ≤ 1,6 ÷ 1,7 кГ/см2, так как при больших рк мощность на привод продувочного насоса становится слишком велика, вызывая высокий удельный расход топлива.
Наиболее экономичными являются воздуходувки, приводимые в движение от газовых турбин, работающих на выпускных газах двигателей. Эти воздуходувки выполняются в одном общем корпусе с турбиной и называются газотурбовоздуходувками.
Газотурбинный наддув осуществляется следующим образом: отработавшие в цилиндре 1 двигателя (фиг. 77), газы поступают по выпускной трубе 2 в газовую турбину 3 и приводят ее во вращение; она, в свою очередь, приводит в движение нагнетатель 4. Воздух, засасываемый из окружающей среды, сжимается в нагнетателе до давления наддува рк и поступает по впускному воздухопроводу 5 к впускным клапанам. Давление наддува изменяется автоматически в зависимости от нагрузки двигателя.
Такое использование энергии выхлопных газов не отражается на величине механического к. п. д. По сравнению с двигателями, имеющими наддув от нагнетателя с механическим приводом, двигатели с газотурбинным наддувом имеют ηм на 4—6% выше.
За счет использования отходящих газов и повышения механического к. п. д. установки эффективный к. п. д. двигателя с газотурбинным наддувом повышается на величину до 10% и выше.
При повышенных давлениях наддува прибегают к нагнетателям с двумя ступенями давления. При комбинированном наддуве используется одновременно и механический и газотурбинный привод нагнетателей. Например, сжатие воздуха производится сначала в газотурбовоздуходувке (первая ступень наддува), а затем в воздуходувке с механическим приводом (вторая ступень).
множество видов наддувов:
26.Инерционный (газодинамический наддув). Принципы его организации. Преимущества и недостатки.
Индукционный наддув применяют для того, чтобы повысить значение коэффициента наполнения Кн цилиндров топливовоздушной смесью в определённом диапазоне оборотов и, следовательно, при правильной настройке системы питания(!), повысить значение среднего эффективного давления Ре и, соответственно, крутящего момента Ме и мощности двигателя Nе.
Итак, различают множество видов наддувов:
Одно из направлений улучшения характеристик наддувных и безнаддувных двигателей связано с использованием волновых явлений в газовоздушных трактах с целью увеличения наполнения цилиндров на всех режимах работы транспортной установки.
Устройства инерционного и резонансного наддува, образующие группу так называемых акустических систем, обеспечивают ограниченное повышение давление наддува, энергетическим источником которого является работа насосных ходов поршневой группы. Благодаря относительной простоте конструктивного исполнения и высокой эксплуатационной надежности область применения таких систем непрерывно расширяется. Элементы акустического наддува в той или иной мере реализуются в подавляющем большинстве современных конструкций двигателя, поскольку решаемые в настоящее время задачи аэродинамического профилирования впускных и выпускных трактов предполагают целенаправленное использование инерционной и колебательной составляющих движения газовоздушных сред.
Колебания воздушного потока во впускном тракте вызваны периодичностью его подключения к цилиндрам, а также переменностью объемного расхода в сечениях впускных клапанов в процессе наполнения. Энергетическим источником акустического наддува является работа насосных ходов поршневой группы. Привлекательность такого способа наддува заключается в возможности повышения мощности двигателя в среднем на 10...12% без существенного усложнения конструкции и обслуживания установки.
В зависимости от особенностей рабочего процесса системы акустического наддува подразделяются на устройства инерционного и резонансного наддува. В системах инерционного наддува повышение давления воздуха перед впускными клапанами, прежде всего, обусловлено торможением воздушного потока во впускном тракте при снижении объемной скорости поступления заряда в цилиндр в конце процесса наполнения. Вместе с тем, инерционный наддув не является результатом чистой инерции движения массы воздушного столба как единого тела, поскольку процесс разгона и торможения потока имеет волновую природу. При соответствующем выборе длины впускного трубопровода первичная волна разрежения, формируемая в сечении у впускного клапана, отражаясь от открытого конца, возвращается к цилиндру в виде волны давления до окончания процесса наполнения, что способствует повышению давления в результате торможения потока у впускного клапана. При этом своевременность подхода обратной волны к цилиндру целесообразна не столько из-за вносимого этой волной повышения давления, а, главным образом, ввиду повышения скорости спутного потока за фронтом волны. Таким образом, в системах инерционного наддува основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Характерная особенность систем инерционного наддува заключается в том, что остаточные колебания давления во впускном тракте в период между тактами впуска затухают и не оказывают существенного влияния на процесс наполнения следующего цикла.
Резонансный наддув отличается от инерционного появлением во впускном трубопроводе стоячей волны с пучностью волн давления у впускных клапанов и узлом на срезе трубопровода. Усиление волновых явлений (резонанс) достигается в относительно узком диапазоне скоростных режимов при совпадении круговой частоты одной из гармоник вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний воздушного столба впускного тракта. Вынужденные колебания возбуждаются работой одного или нескольких неперекрывающихся по фазам впуска цилиндров, объединяемых в один коллектор. Более подробно различные системы газодинамического наддува рассмотрены в работе [5].
27. Механический (приводной) наддув. Приводные компрессоры. Преимущества и недостатки механического наддува.
Механический наддув
Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.
Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.
Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.
Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым. Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors. Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.
Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку. Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам. Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.
Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса. Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере любительского тюнинга.
Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува. При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.
28. Газотурбинный наддув, основные схемы. Агрегаты наддува. Степень повышения давления в компрессоре и степень понижения давления в турбине. Преимущества и недостатки газотурбинного наддува.
Газотурбинный наддув
Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов.
К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува. Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения "атмосферного" двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи. Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.
При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму» (по-английски "turbo-lag") — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время «думает» и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя - и наконец, "пойдет" воздух. Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони. Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом- высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не применение керамики - подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Полностью решить все проблемы можно использованием турбины с изменяемой геометрией (Variable Nozzle Turbine), например, с подвижными (поворотными) лопатками , параметры которой можно менять в широких пределах. Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.
29. Методы регулирования теплового состояния ДВС. Типы систем охлаждения. Дополнительные функции современных систем охлаждения
Работу системы охлаждения обеспечивает система управления двигателем. В современных двигателях алгоритм работы реализован на основе математической модели, которая учитывает различные параметры (температуру охлаждающей жидкости, температуру масла, наружную температуру и др.) и задает оптимальные условия включения и время работы конструктивных элементов.
Охлаждающая жидкость в системе имеет принудительную циркуляцию, которую обеспечивает центробежный насос. Движение жидкости осуществляется через «рубашку охлаждения» двигателя. При этом происходит охлаждение двигателя и нагрев охлаждающей жидкости. Направление движения жидкости в "рубашке охлаждения" может быть продольным (от первого цилиндра к последнему) или поперечным (от выпускного коллектора к впускному).
В зависимости от температуры жидкость циркулирует по малому или большому кругу. При запуске двигателя сам двигатель и охлаждающая жидкость в нем холодные. Для ускорения прогрева двигателя охлаждающая жидкость движется по малому кругу, минуя радиатор. Термостат при этом закрыт.
По мере нагрева охлаждающей жидкости термостат открывается, и охлаждающая жидкость движется по большому кругу – через радиатор. Нагретая жидкость проходит через радиатор, где охлаждается встречным потоком воздуха. При необходимости жидкость охлаждается потоком воздуха от вентилятора.
После охлаждения жидкость снова поступает в «рубашку охлаждения» двигателя. В ходе работы двигателя цикл движения охлаждающей жидкости многократно повторяется.
Типы систем термосифонная; принудительная .воздушная
Система охлаждения предназначена для охлаждения деталей двигателя, нагреваемых в результате его работы. На современных автомобилях система охлаждения, помимо основной функции, выполняет ряд других функций, в том числе:
В зависимости от способа охлаждения различают следующие виды систем охлаждения:
30 Типы систем смазки. Фильтрация масла. Вентиляция картера. Характеристики моторных масел.
В зависимости от способа подачи масла к узлам трения в автомобильных двигателях различают следующие типы систем смазки: 1) разбрызгиванием, 2) под давлением и 3) комбинированный.
При системе смазки разбрызгиванием масло дробится на очень мелкие капли быстро вращающимися деталями (например, коленчатым валом). Вследствие этого свободное пространство в картере наполнено мельчайшими капельками масла, которые постепенно проникают в зазоры между трущимися поверхностями. Этот вид смазки применялся в некоторых старых конструкциях двигателей. В настоящее время она применяется редко, так как имеет серьезные недостатки (повышенный расход масла, быстрое его окисление, недостаточная надежность смазки ответственных узлов двигателя и т. п.).
В системе смазки под давлением масло из картера с помощью насоса по каналам подается к поверхностям трения, откуда опять стекает в картер. При этом виде смазки к трущимся поверхностям подается необходимое количество масла и обеспечивается интенсивная его циркуляция.
В современных автомобильных двигателях обычно применяется комбинированная система смазки: наиболее нагруженные поверхности (шатунные и коренные подшипники коленчатого вала, подшипники распределительного вала и т. п.) смазываются маслом под давлением, а остальные — разбрызгиваемым маслом.
Комбинированная система смазки может быть с мокрым картером (картер заполнен маслом) или с сухим картером (картер без масла).
В большинстве автомобильных двигателей применяется система смазки с мокрым картером.
В высокооборотных двигателях вследствие сильного пенооб-разования в картере приходится применять системы с сухим картером, так как засасывание пены масляным насосом фактически приводит к прекращению смазки. Система смазки с сухим картером также применяется в таких двигателях, которые устанавливаются на автомобилях, рассчитанных на преодоление больших углов подъема. Для осушения картера при наклоне двигателя обычно устанавливают два откачивающих насоса: в передней и задней частях картера. Преимуществами системы смазки с сухим картером являются уменьшение высоты двигателя и меньший расход масла, так как отсутствует его взбалтывание и попадание в избыточном количестве на стенки цилиндра.