Форсирование поршневых двигателей

Для движения автомобиля с требуемой скоростью его двигатель должен обладать определенной мощностью, определяемой по формуле Ne = PV, где Р — сила тяги; V — скорость движения автомобиля. При равномерном движении сила тяги автомобиля равна силе сопротивления его движе­нию. Так как дорожные условия непрерывно изменяются, то и сила тяги автомобиля также должна непрерывно изменяться. Поэтому при выборе двигателя для наземного транспортного средства учитывают условия его эксплуатации.

Чем тяжелее условия эксплуатации автомобиля, тем большую силу тяги на ведущих колесах должен создавать двигатель. Для обеспечения движе­ния автомобиля в таких дорожных условиях двигатель должен обладать большой мощностью.

Для большегрузных автомобилей требуются двигатели большой мощно­сти. Как следует из выражения (15.138), эффективную мощность двигателя Ne можно увеличить путем увеличения числа цилиндров г. Однако, увели­чение числа цилиндров в двигателе приводит к увеличению его размеров. Это в свою очередь приводит к увеличению размеров автомобиля. При увеличении размеров автомобиля увеличивается сила аэродинамического сопротивления Fa его движению. Увеличение силы Fa приводит к росту расхода топлива автомобилем при движении, что является отрицательным следствием увеличения габаритных размеров двигателя.

Рациональным является путь, обеспечивающий увеличение эффектив­ной мощности двигателя Ne без изменения его габаритных размеров. Такое конструктивное мероприятие называют форсированием двигателя. При форсировании размеры расширительной машины двигателя не изменяют­ся. В этом случае рабочий объем двигателя не изменяется (V^ = iV^ = Idem).

Форсировать можно только созданный образец двигателя. Процесс форсирования двигателя подразумевает, что по конструктивным сообра­жениям мощность существующего двигателя может быть повышена без ухудшения надежности его работы и возникновения других проблем.

Разделим левую и правую части выражения (15.138) на рабочий объем двигателя V^ (иногда его называют литражом двигателя):

.. Ne PeiVnh Реп ,1К1

Величину Nn называют литровой мощностью двигателя. Такое на­звание обусловлено тем, что рабочий объем двигателя Vn традиционно измеряют не в дециметрах кубических, а литрах.

Из выражения (15.142) следует, литровая мощность двигателя представ­ляет собой количество механической энергии, получаемой из 1 л рабочего объема двигателя в течение 1 с. С другой стороны, литровую мощность можно интерпретировать как мощность, приходящуюся на 1 л рабочего объема двигателя.

Чем больше литровая мощность двигателя Nn по сравнению с первым образцом, тем больше он форсирован.

Из выражения (15.142) следует, что литровую мощность двигателя п2 можно увеличить следующим образом:

• увеличить среднее эффективное давление ре рабочего тела в цикле;

• увеличить частоту вращения п коленчатого вала;

• перейти с четырехтактного цикла (т = 4) на двухтактный цикл (т = 2).

Исходя из того, что форсировать можно только реально существующий образец двигателя, последнее направление нельзя относить к мероприятию по форсированию двигателя. Для перехода с четырехтактного цикла на двухтактный необходимо полностью изменять конструкцию двигателя, т. е. проектировать новый образец. Этот новый образец двигателя уже не будет продолжением предшествующего ряда двигателей.

При увеличении частоты вращения п коленчатого вала двигателя увели­чивается число рабочих циклов, совершаемых рабочим телом за 1 минуту. Напомним, что в четырехтактном двигателе рабочее тело совершает один рабочий цикл за 4 хода поршня или 2 оборота коленчатого вала. В двух­тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 2 хода (такта) поршня или 1 оборот коленчатого вала. За один рабочий цикл рабочим телом совершается эффективная работа, равная We (см. выражение (15.136)).

Пусть частота вращения коленчатого вала двигателя равна п = 2000 мин"1. Тогда за 1 мин рабочим телом в двигателе совершается следующее количество рабочих циклов:

• в четырехтактном двигателе —2000/2 = 1000 циклов;

• в двухтактном двигателе — 2000/1 = 2000 циклов.

Тогда эффективная мощность двигателя равна:

Если увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя в два раза, то в нем за одну минуту будет совершаться следующее количество рабочих циклов:

• в четырехтактном двигателе — 2 • 2000/2 = 2000 циклов;

• в двухтактном двигателе — 2 • 2000/1 = 4000 циклов.

В этом случае эффективная мощность двигателя будет равна:

Рассмотренный пример показывает, что увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя при равных всех прочих условиях теорети­чески должен привести к двукратному увеличению литровой мощности двигателя Nn. Однако на практике такое двукратное увеличение Nn не происходит. Причиной расхождения теории с практикой является тот факт, что с увеличением частоты вращения коленчатого вала п увели­чивается скорость движения поршня. А это приводит к значительному увеличению сил трения, возникающих между поршнем и стенкой цилин­дра. Как известно, сила трения относится к классу диссипативных сил, которые рассеивают энергию тел в окружающее пространство. При трении происходит преобразование энергии из механической формы в тепловую форму. Следовательно, при увеличении частоты вращения коленчатого вала растут потери механической энергии в двигателе.

Вместе с тем при увеличении скорости движения поршня увеличивают­ся скорости газового потока на выходе из двигателя при выпуске. Сопро­тивление выпускного канала двигателя увеличивается, что также приводит к возрастанию затрат механической энергии на удаление отработавших газов.

Скорость газового потока на впуске в двигатель также возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого вала. В этом случае сопро­тивление впускного канала также возрастает. Это приводит к уменьшению наполнения цилиндров двигателя горючей смесью (бензиновые двигатели) или воздухом (дизельные двигатели). В бензиновых двигателях в этом слу­чае сгорает меньше бензина, поступающего в цилиндры вместе с воздухом. В дизельных двигателях поступает меньше воздуха, а поэтому процесс сгорания топлива, впрыснутого при подходе поршня к ВМТ в такте сжатия, ухудшается.

Следует заметить, что при увеличении частоты вращения коленчатого вала бензинового двигателя не приводит к существенному ухудшению качества приготовления горючей смеси, так как она готовится в таких двигателях в течение всего процесса впуска. Наоборот, увеличение частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя приводит к существен­ному ухудшению процесса сгорания топлива из-за недостатка воздуха, а также плохого качества приготовления смеси, обусловленного значитель­ным сокращением времени его протекания. Этим объясняется тот факт, что частота вращения коленчатого вала дизельного двигателя значительно меньше частоты вращения коленчатого вала бензинового двигателя.

При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя уве­личиваются инерционные нагрузки, действующие на движущиеся дета­ли. Чем больше масса детали и чем больше ее ускорение, тем большая сила инерции действует на нее. Масса движущихся частей дизельного двигателя больше массы аналогичных деталей бензинового двигателя. Это обусловлено тем, что максимальная сила давления рабочего тела в дизельном двигателе больше аналогичной силы в бензиновом двигателе, так как степень сжатия дизельного двигателя почти в два раза больше степени сжатия бензинового двигателя. Увеличение инерционных нагрузок снижает ресурс работы двигателя.

Эти отрицательные факты привели к тому, что форсирование по частоте вращения коленчатого вала применяется в основном только в бензиновых двигателях.

Следует ясно представлять, в чем состоит физический смысл форси­рования двигателя по частоте вращения коленчатого вала. Чем больше частота вращения коленчатого вала, тем чаще осуществляется рабочий цикл и тем больше топлива сгорает в цилиндрах двигателя в единицу времени. Чем больше топлива сгорает в цилиндрах двигателя в единицу времени, тем больше энергии в тепловой форме выделяется при этом. Коли­чество механической энергии, получаемой от двигателя в единицу времени (мощность), возрастает. Но прямая пропорциональная зависимость при этом не наблюдается.

Среднее эффективное давление ре можно увеличить только путем повышения давления рабочего в процессе расширения или уменьшения дав­ления рабочего тела в процессе сжатия. Понизить давление рабочего тела в процессе сжатия не представляется возможным, так как оно поступает в цилиндр двигателя из окружающей среды с определенными значениями параметров состояния. Поэтому на практике стремятся увеличить давление рабочего тела в процессе расширения. Для повышения давления рабочего тела в процессе расширения следует подать в цилиндр двигателя больше топлива.

В бензиновых двигателях топливо (бензин) поступает в цилиндр дви­гателя вместе с воздухом, т. е. в составе горючей смеси. В этих типах двигателей для повышения давления рабочего тела в процессе расширения следует увеличить подачу горючей смеси в цилиндр двигателя. Так как размеры цилиндра двигателя не изменяются, то для увеличения массы подаваемой в цилиндр горючей смеси необходимо увеличить ее плотность. Чем больше плотность горючей смеси, тем большая ее масса поместится в том же объеме цилиндра. Чем больше масса горючей смеси, тем больше масса топлива (бензина) в ней. Так как масса топлива в составе горючей смеси относительно малая величиной, то плотность смеси приближенно оценивают по плотности воздуха:

P=ife’ (15143) где р — плотность горючей смеси (воздуха); Дп — давление горючей смеси; Ro — удельная газовая постоянная воздуха; Дп = 100 мин"1 — температура горючей смеси.

Из выражения (15.143) следует, что для увеличения плотности посту­пающего в цилиндр воздуха необходимо увеличить его давление.

Для повышения плотности горючей смеси (воздуха) в процессе впус­ка применяются специальные нагнетатели (компрессоры). Компрессор приводится в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя (рис. 15.23, а) или от свободной турбины, приводимой в движение отрабо­тавшими в двигателе газами (рис. 15.23, б).

В этом случае говорят, что двигатель имеет наддув. При наддуве давле­ние горючей смеси повышается, а поэтому повышается ее плотность. Масса бензина, поступающего в цилиндр двигателя, увеличивается. Давление рабочего тела в процессе сгорания бензина также увеличивается, так как в том же объеме цилиндра уже сгорает больше топлива. Давление рабочего тела в процессе расширения увеличивается по сравнению с двигателем без наддува. В этом случае среднее эффективное давление рабочего тела в цикле также увеличивается. Так как среднее эффективное давление рабочего тела увеличивается, то в соответствии с выражением (15.138) увеличивается эффективная мощность двигателя Ne.

Рис. 15.23. Принципиальные схемы систем наддува поршневых ДВС

Однако наддув в бензиновых двигателях практически не применяется[71]. Это обусловлено тем, что при наддуве, когда впускной и выпускной кла­паны находятся в открытом состоянии (участок ai-r-Ьг; рис. 15.17), часть поступившей в цилиндр горючей смеси покидает его через выпускной ка­нал. Таким образом, при продувке камеры сгорания бензинового двигателя имеет место потеря бензина. Этот факт сдерживает применение наддува в бензиновых двигателях. Поэтому основным способом форсирования бен­зиновых двигателей является увеличение частоты вращения коленчатого вала.

Более эффективно наддув реализуется в дизельных двигателях. При наддуве дизельного двигателя в его цилиндр поступает не горючая смесь, а только воздух. В этом случае при перекрытии клапанов (участок ах-г-Ьг; рис. 15.19) из цилиндра выбрасывается воздух, но не топливо. Напомним, что в дизельном двигателе топливо впрыскивается в цилиндр только при приближении поршня к ВМТ, когда перекрытие клапанов отсутствует.

Чем больше давление воздуха, поступающего в цилиндр, тем больше его плотность. В этом случае при большей плотности в том же объеме цилин­дра помещается большая масса воздуха. Чем больше воздуха находится в цилиндре двигателя, тем больше топлива в нем может сгореть. А поэтому при наддуве дизельных двигателей увеличивают цикловую подачу топлива, т. е. массу топлива, однократно впрыскиваемого в цилиндр. Чем больше топлива сгорает в том же объеме цилиндра, тем больше давление рабочего тела в процессе расширения. В итоге это приводит к увеличению среднего эффективного давления рабочего тела в цикле двигателя. Следовательно, мощность двигателя также увеличивается.

При наддуве двигателя с помощью приводного нагнетателя (рис. 15.23, а) от двигателя отбирается часть механической энергии. В этом случае затраты механической энергии на привод вспомогательных агрегатов двигателя увеличиваются. Следовательно, не вся механическая энергия от двигателя направляется на привод ведущих колес машины.

При наддуве двигателя с помощью турбокомпрессора (рис. 15.23, б) механическая энергия на привод компрессора не отбирается от него. Сле­довательно, применение турбонаддува не приводит к увеличению затрат механической энергии на привод компрессора. Так как при турбонаддуве эффективная мощность двигателя увеличивается без увеличения затрат механической энергии на привод вспомогательных агрегатов, то механиче­ский КПД двигателя увеличивается. Эти обстоятельства привели к тому, что турбонаддув получил самое широкое распространение в дизельных двигателях.