Тема:  показатели работы ДВС

ТЕМА:  ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДВС

План

1. Индикаторные показатели работы двигателя

2. Механические потери в ДВС.

3.Эффективные показатели двигателя

4. Экологические показатели двигателей

Содержание лекции

Индикаторные показатели работы двигателя

Индикаторными показателями называют показатели, характеризующие работу, совершаемую газами в цилиндре двигателя.

Эти показатели определяют эффективность использования рабочего объёма двигателя и степень преобразования выделяемой теплоты в полезную работу внутри цилиндров. Они зависят от своевременности и полноты сгорания, а также от тепловых потерь в систему охлаждения и с отработавшими газами.

К индикаторным показателям двигателя относятся:

- среднее индикаторное давление р_i,

- индикаторная мощность N_i,

- индикаторный КПД η_i ,

- удельный индикаторный расход топлива g _i,

Среднее индикаторное давление р_i - это условное постоянное по величине избыточное давление газов в цилиндре двигателя, которое, действуя на поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе газов за весь цикл L_i.

L_i = р _i · F · S = р _i · V_h;

 где L_i – работа газов за один цикл в одном цилиндре, р _i – среднее индикаторное давление, F - площадь поршня, S – ход поршня, V_h – рабочий объём цилиндра.

Тогда

р _i = L_i / V_h,

т.е. среднее индикаторное давление численно равно работе газов за цикл, отнесённой к единице рабочего объема. Таким образом этот показатель оценивает степень эффективности использования рабочего объёма цилиндра.

Для бензиновых четырехтактных двигателей р_i = 0,6…1,6 МПа

Для дизелей без наддува р_i = 0,7…1,1 МПа

Для дизелей с наддувом р_i = 1,1…2,2 МПа

 

Если индикаторная работа за цикл:

L_i = р_i V_h,

то индикаторная работа в минуту:

L_i'= L_i 2n / τ.

где n – частота вращения коленчатого вала двигателя мин ^–1,

  2n – число тактов в минуту в одном цилиндре,

2n / τ – число циклов в минуту в одном цилиндре,

τ – тактность двигателя.

Индикаторная мощность N_i – это мощность, соответствующая индикаторной работе цикла. то есть, это работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени (за 1 сек).

N_i = L_i' = р _i V_h п i /(30 τ)

Индикаторный КПД   η _i - это отношение теплоты, преобразованной в индикаторную работу Q _i к общему количеству теплоты затраченного топлива Q ₁

η _i = Q _i / Q ₁ = L_i / G _тц · Н_и

где G _тц - цикловая подача топлива; Н_и - низшая теплотворная способность топлива.

Индикаторный КПД характеризует экономичность действительного цикла. Он учитывает потери теплоты на теплоотдачу в стенки цилиндра, потери на неполноту и несвоевременность сгорания топлива, на распад продуктов сгорания.

Другим показателем, который характеризует экономичность действительного цикла является индикаторный удельный расход топлива g_i. который показывает сколько затраченного топлива приходится на производство единицы индикаторной мощности

g_i = G _т 10³ / N_i,

где G _т – часовой расход топлива.

Механические потери в ДВС.

Часть индикаторной мощности двигателя затрачивается на преодоление

механических потерь (внутренние потери) N _мп

N _{м.п .} = N _тр + N _{н г} + N _пр + N _к + N _гп

где N _тр, N _{н г}, N _пр, N _к, N _гп – мощность, затрачиваемая соответственно на трение, на процесс газообмена, на привод вспомогательных механизмов (топливного, водяного, масляного насосов, вентилятора, генератора и др.), на привод компрессора и гидравлические потери.

Потери мощности на трение N _тр   составляют большую часть всех механических потер. Главным образом эти потери приходятся на следующие пары:

- поршень, поршневые кольца – стенки цилиндров;

- шейки коленчатого и распред.валов – подшипники скольжения;

- пошневой палец – бобышки поршня и втулка верхней головки шатуна;

- стержень клапана – направляющая втулка.

Потери на трение увеличиваются с ростом нагрузки на двигатель, увеличением частоты вращения коленвала, при грубой обработке поверхностей сопряжённых деталей, неоправданном увеличении их размеров при производстве и ремонте, при применении некачественных масел, при нарушении работы систем смазки и охлаждения и ухудшении технического состояния двигателя.

Потери мощности на совершение насосных ходов поршнем во время газообмена (N_{н г}). Для того, чтобы всосать свежий заряд в цилиндр и вытолкнуть отработавшие газы, необходимо затратить энергию. Поэтому для выполнения этой работы от индикаторной работы затрачивается некоторая её часть. Величина этих потерь определяется величиной сопротивления впускных и выпускных трубопроводов, которая растёт с увеличением частоты вращения коленчатого вала, или степенью прикрытия дроссельной заслонки. На величину насосных потер также влияют размеры и конструкция деталей, участвующих в газообмене и их техническое состояние.

Потери мощности на привод вспомогательных механизмов (N _пр). К вспомогательным механизмам относятся жидкостной, масляный и топливный насосы, генератор, прерыватель-распределитель, вентилятор. Данный вид потерь зависит от конструкции этих агрегатов, их размеров и технического состояния.

Потери мощности на привод компрессора –нагнеталя воздуха (N _к). Имеется в виду механический привод компресора в двигателях с наддувом, сюда не относятся двигатели с турбонаддувом, так как у них для привода компрессора используется кинетическая энергия отработавших газов, уже вне цилиндра. Так как механический привод компрессора применяется довольно редко, а затраты мощности на него значительны, этот вид потер выделен отдельно.

Гидравлические потери мощности (N _гп) учитывают затраты мощности на преодоление сопротивления движению деталей КШМ, создаваемого маслом в картере двигателя.

Образование токсичных веществ в ДВС и их нормирование.

Сгорание в ДВС топлива (топливо состоит из углерода (С), водорода (Н), кислорода (О₂) и др. составляющих) происходит при присутствии воздуха (воздух состоит из 0,23 О₂ и 0,77 N), сопровождается образованием токсичных веществ.

При сгорании в ДВС 1кг бензина [2] при средних режимах работы выделяется примерно 300…310г токсических компонентов (225г окиси углерода, 55г окиси азота, 1…1,5г сажи и др.).

При сгорании 1кг дизельного топлива выделяется около 80…100г токсичных компонентов (20…30г окиси углерода, 20…40г окислов азота, 4…10г углеводорода, 10…30г окислов серы, 0,8…1,0 альдегидов, 3…5г сажи и др.).

Наиболее опасны для человека, животного и растительного мира окислы азота (NОx), сажа (C),, окислы углерода (CO), углеводороды (CxHy), бенз(а)пирен (C₂₀H₁₂), окиси серы (SОx), аммиака (NH₃), окиси свинца PbO, альдегиды (RCHO).

СО образуется в основном, когда в смеси недостаток кислорода и происходит неполное сгорание топлива.

NОx в отработавших газах более 90%, образуются, когда максимальная температура в процессе сгорания превышает 2200К и больше в смеси О₂ и N.

С – сажа образуется в результате термического распада топлива в зонах камеры сгорания, где α <0,3 и температура больше 1200К.

СхНу образуется в низкотемпературных зонах у стенок камеры сгорания, где пламя гасится, при чрезмерном обеднении смеси и при пропусках воспламенения.

Альдегиды образуются перед горением, а также на такте расширения и выпуска, когда есть пленка масла и топлива.

Соединение свинца образуются при сгорании этилированного бензина.

Сернистый газ и сероводород образуются при сгорании серы, содержащейся в топливе.

Оптическая плотность отработавших газов – нормируемый параметр дымности отработавших газов дизелей. Она представляет собой количество света, поглощенного частицами сажи и другими светопоглощающими дисперсными частицами отработавших газов дизелей, определяемое по шкале измерительного прибора.

 

 

Таблица 4.1. Норма удельных выбросов для легковых автомобилей.

Токсичные вещества

Токсичные вещества

Норма выбросов в гр/км

Евро-1 Евро-2 Евро -3 Евро-4 NOх 8 7 5 2,56 CO 4,5 4,0 2,1 2,76 CxHy 1,1 1,1 0,66 0,41 Твёрдые части 0,36 0,15 0,1 0,08

Вещества

Удельное содержание, г/кВт. ч

Карбюраторные Дизели Окиси углерода (СО) 70…180 4…5,5 Окиси азота(NОх) 27 12…19 Углеводороды(СхНу) 14…140 2…4,0 Альдегиды 3,4 0,14…0,2 Сернистый ангидрид 0,28 0,95 Сажа (С) 0,4 1,4…2,0

На выход токсичных веществ существенное влияние оказывают тип камер сгорания. Так, дизели с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные и предкамерные) имеют в 10…12 раз меньший удельный выброс углеводородов, в 4 раза меньший выброс окиси углеводорода и в 2 раза меньший выброс окислов азота по сравнению с однокамерными.

Повышение частоты вращения коленчатого вала увеличивает токсичность, что вызвано, вероятно, сокращением времени на смесеобразование и сгорание.

Т оксичность зависит от нагрузки на двигатель, причем характер изменения показателей токсичности дизелей отличается от характера изменения токсичности карбюраторных двигателей.

При обогащении смеси существенно возрастает концентрация СО и СН, при обеднении смеси количество NОx сначала возрастет (из-за увеличения свободного кислорода), а при α = 1,05…1,1 уменьшается (из-за снижения температуры сгора-ния), при этом СО₂ также несколько снижается.

При увеличении угла опережения зажигания по отношению к его оптимальному значению возрастает концентрация NОx, особенно при обеднении смеси, для поздних углов опережения зажигания характерно снижение NОx, но при этом ухудшается топливная экономичность.

Изменение угла опережения впрыска для дизеля особенно сказывается на выделении сажи и СхНу, для которых можно определить оптимум по токсичности.

Снижение токсичности может быть достигнуто не только за счет угла

опережения впрыска, но и за счет изменения давления начала впрыска топлива

 При увеличении давления снижается содержание углеводородов (СхНу) и бенз(а)пирена (С₂₀Н₁₂), максимальное содержание окислов азота (NОx) наблюдается при давлении топлива 17…18 МПа для установившегося режима и линейно возрас-тает с увеличением давления впрыска в режиме свободного ускорения

Необычайно сильно влияние на образование токсичных компонентов имеет техническое состояние двигателя, топливной аппаратуры и систем зажигания.

Неисправности автомобиля общего характера увеличивают выбросы на 20%; неисправности системы питания и зажигания, влияющие на процесс сгорания, увеличивают суммарные выбросы вредных веществ в 2…5 раз, а канцерогенных веществ в 100 раз.

О сновные способы снижения токсичности и дымности ДВС:

1. Совершенствование смесеобразования и сгорания (послойное смесеобразование,

   форкамера и др.).

2. Правильная регулировка всех систем ДВС.

3. Рециркуляция отработавших газов (позволяет уменьшить на 40-50% NОх, но при  

этом снижается экономичность).

4. Применение присадок к топливу (антидымные для дизеля).

5. Применение неэтилированного бензина и газового топлива, спирта, водорода.

6. Нейтрализация газов с помощью термической (дожигатели) и каталитической  

систем.

Применение этих мер естественно приводит к удорожанию автомобилей,

ТЕМА:  ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДВС

План

1. Индикаторные показатели работы двигателя

2. Механические потери в ДВС.

3.Эффективные показатели двигателя

4. Экологические показатели двигателей

Содержание лекции