Видеодневник инноваций
Подлодки Корабли Карта присутствия ВМФ Рейтинг ВМФ России и США Военная ипотека условия
Баннер
Логистика военных грузов

Нюансы доставки
военных грузов

Поиск на сайте

Главная / Издания / Литература / Книжная полка / А. Агатов. Подвесные лодочные моторы

ГЛАВА 3. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ, МОЩНОСТЬ, КПД ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Четырехтактный двигатель. Теоретические индикаторные диаграммы были построены нами без учета потерь, которые всегда бывают при работе двигателя. Так, например, при всасывании карбюратор, всасывающий клапан и всасываю­щий патрубок оказывают гидравлическое сопротивление дви­жению газов и тем большее, чем больше скорость газа во всасывающей системе. По этой причине действительное дав­ление всасывания всегда получается ниже атмосферного и за­висит от длины и проходного сечения трубы, плавности пере­ходов, точности изготовления клапанов и клапанных седел, сопротивлений в карбюраторе и обтекаемой формы деталей, встречающихся на пути потока. Это учитывается пунктирной кривой а1;b1; на диаграмме рис. 11, т. е. заряд поступает в ци­линдр пониженной плотности. Понижению его плотности спо­собствует также и нагрев смеси от горячих деталей.

Таким образом, весовое количество заряда в цилиндре понижается, что учитывается коэффициентом наполнения ηv . Коэффициент наполнения показывает, какое по весу количество свежего заряда заполнило цилиндр по срав­нению с тем, которое могло бы вместиться, если бы темпера­тура и давление заряда были равны атмосферным условиям.

Для современных быстроходных легких двигателей коэф­фициент наполнения при полном открытии дросселя находится в пределах 0,8—0,9, т. е. цилиндр двигателя наполняется только на 80—90% от полного объема при нормальных усло­виях(1).

На ηv в известной степени влияет избыток топлива, пони­жающий температуру всасывания и. сгорания, а вместе с ни­ми и температуру цилиндра, поршня и головки.

Смесь, содержащая в себе больше топлива, чем требуется для нормальной смеси, называется богатой. Однако работа на богатой смеси неэкономична, так как часть топлива из-за недостатка воздуха сгорает не полностью и уходит наружу с отработанными газами в виде сажи, а отчасти окиси угле­рода СО.

Влияет на и род топлива. Каждый вид топлива имеет свою скрытую теплоту парообразования, от которой зависят температура и количество засасываемой смеси. Например, применение в качестве топлива спирта повышает ηv на 5—10% по сравнению с бензином.

Так как количество выделенной тепловой энергии, а сле­довательно, и мощность двигателя находятся в прямой зави­симости от весового заряда цилиндра, то в задачу водителя входит использовать все факторы, способствующие увеличе­нию ηv.

Рассмотрим влияние фаз газораспределения на наполне­ние цилиндра.

В быстроходных двигателях, когда циклы следуют друг за другом очень быстро, всасываемая смесь по трубопроводу движется со скоростью примерно 100 м/сек. С закрытием впускного клапана, в силу инерции движущихся газов, к на­чалу впуска следующего цикла перед клапаном образуется некоторое давление (поджатие) смеси, превосходящее атмо­сферное. В этот момент снова начнет открываться впускной клапан и поджатая смесь с силой устремляется в цилиндр; таким образом можно получить лучшее наполнение цилинд­ра. Поэтому чаще всего в зависимости от быстроходности двигателя начало впуска производят с опережением от 8 до 40°, а в гоночных машинах доводят его до 75° и выше. Такое опережение впуска обычно устанавливается опытным путем. Закрытие впускного клапана также осуществляют не в НМТ, как в теоретическом цикле, а позднее, примерно на 45—70°, давая больше времени на заполнение цилиндра. Таким спо­собом период заполнения удлиняется от 220 до 290° по пово­роту коленчатого вала вместо 180° теоретического цикла, что увеличивает коэффициент наполнения ηv .

Следующим фактором, влияющим на наполнение цилинд­ра, являются остаточные газы от предыдущего цикла. В четырехтактных двигателях сгоревшие газы частично задержи­ваются в так называемом вредном пространстве, т. е. в ка­мере сжатия Vc .

Так как такт сжатия следует непосредственно за тактом всасывания, то фактически сжатие смеси начинается не в НМТ, а с запозданием, равным концу выпуска, что дает не­которую потерю части хода. Кроме того, на протяжении хо­да сжатия мы имеем дополнительную потерю тепла как на нагрев стенки и головки цилиндра, так и днища поршня, что отражается понижением давления сжатия (пунктирная кривая ac1; на диаграмме рис. 11).

Сжатие смеси необходимо для того, чтобы ускорить про­цесс ее сгорания и получить большую силу давления на пор­шень как при вспышке, так и во время рабочего хода. Уве­личение рабочего давления повышает мощность двигателя. Чем выше степень сжатия в двигателе, тем больше мощность его, тем меньше удельный расход топлива, т. е. расход на 1 л. с. ч., тем выше термический коэффициент полезного действия двигателя. Однако увеличение степени сжатия воз­можно только до определенного предела, зависящего в основ­ном от температуры самовоспламенения рабочей смеси и от возникновения детонации(2) в двигателе. Как самовоспламене­ние, так и детонация нежелательны: они нарушают нормаль­ную работу двигателя. У современных быстроходных двига­телей степень сжатия достигает обычно 5—8, а давление конца сжатия порядка 7,5—11 кг/см². При этом температура достигает 270—350°.

Горение смеси в действительности не происходит мгновен­но, а требует от 1/300 до 1/600 доли секунды, поэтому воспла­менение смеси производят с некоторым опережением c1.

Во время расширения, вследствие большой разности тем­ператур между стенкой и газами, часть тепла теряется в стенки и давление понижается. Все переходы давлений от такта сжатия к такту расширения происходят плавно, без резких пиков и всецело зависят от величины опережения за­жигания (рис. 11, пунктирная кривая c1c2z1e1).

Величина снижения давлений за ход расширения зависит от интенсивности охлаждения стенок цилиндра, его диаметра и числа оборотов; чем больше число оборотов и больше диа­метр цилиндра, тем выше линия давления расширения на индикаторной диаграмме. Не доходя примерно 50—70° до НМТ по ходу расширения для лучшей очистки цилиндра, производят опережение выпуска: выпускной клапан откры­вается, отработанные газы с критической скоростью (ско­ростью звука) вытекают из цилиндра и давление резко па­дает, что изображено на диаграмме линией е1a1.

Выпуск отработанных газов всегда происходит при повы­шенном давлении порядка 1,1—1,2 см², а температура газов в конце выпуска достигает примерно 500—600°. Закрытие выпускного клапана для лучшей очистки цилиндра от сгорев­ших газов производят также не в ВМТ, как в теоретическом цикле, а значительно позже. Для быстроходных двигателей запоздание выпуска доводят до 30—40°, а для гоночных до 55° и выше. Полезно здесь отметить, что вблизи ВМТ клапан впуска и клапан выпуска оказываются некоторое время од­новременно открытыми, так как впускной клапан открывает­ся до прихода в ВМТ, а выпускной закрывается после ВМТ. Такое перекрытие нередко достигает в моторах величины 60°, доходя в гоночных моторах до 100—120°.

Подобные диаграммы можно получить и непосредственно с работающего двигателя при помощи прибора, называемого индикатором, откуда эти диаграммы и получили свое название индикаторных.

Индикаторные диаграммы характеризуют работу поршня за один цикл двигателя, где по оси ординат отложены давле­ния в цилиндре в килограммах на квадратный сантиметр, а по оси абсцисс — объемы в кубических сантиметрах в опреде­ленном масштабе. Измерив площадь диаграммы при помощи какого-либо способа и помножив на масштаб, взятый для ее изображения, получим работу двигателя за один цикл.

Чаще всего площадь диаграммы приводят к равновели­кому прямоугольнику, у которого основание равно ходу поршня в выбранном нами масштабе, а высота равна средне­му давлению на ходе поршня (линия кл). Это давление полу­чило название среднего индикаторного давле­ния и имеет большое значение при подсчете индикаторной мощности двигателя и при сравнении различных двигателей друг с другом.

Двухтактный двигатель. Действительная индикаторная ди­аграмма двухтактного двигателя, подобно индикаторной диа­грамме четырехтактного двигателя, также сильно отличается от теоретической вследствие опережения зажигания смеси в цилиндре, гидравлических потерь в окнах и трубопроводах, утечки тепла в стенки цилиндра и потерь на продувку в мо­мент расширения и сжатия (см. рис. 15).

В конце хода сжатия для получения рабочего хода порш­ня, как уже говорилось, необходимо смесь поджечь. Сгора­ние топлива не происходит мгновенно, а требует для себя, хотя и очень короткого (около 1/зоо доли секунды), време­ни, за которое поршень успеет продвинуться примерно на 8—9% своего рабочего хода. Это приводит к сильному снижению как максимального, так и среднего давления по ходу поршня, т. е. к потере мощности двигателя и к непол­ному сгоранию смеси.

Чтобы лучше использовать теплоту, заключенную в то­пливе, надо дать больше времени для ее сгорания, а для этого поджигают смесь значительно раньше прихода поршня в ВМТ, или, как говорят, с некоторым опережением, тем большим, чем быстроходнее двигатель (линия с2с3).

Очень раннее зажигание делать также нежелательно, так как работа двигателя становится жесткой (жесткий ход). Появляются толчки, крутящий момент на валу становится неравномерным, а иногда это вызывает даже обратный по­ворот коленчатого вала и остановку двигателя.

Зажигание производят с таким расчетом, чтобы получить максимальное давление спустя 10—20° после ВМТ. Для этого опережение зажигания в быстроходных двигателях обычно делают в пределах 30—45° до ВМТ. Рабочая диаграмма получается с опережением полнее, а мощность больше, чем при воспламенении смеси в ВМТ.

Практически опережение зажигания осуществляют или от руки, поворотом специального рычажка, или при помощи ав­томатического регулятора, устанавливаемого на магнето и увеличивающего! опережение зажигания с ростом числа обо­ротов двигателя. Такие регуляторы установлены на послед­них наших отечественных конструкциях подвесных лодочных моторов ЛММ-6 и ЛМР-6.

Одной из значительных потерь, искажающих теоретиче­скую диаграмму, является потеря на ходе поршня благодаря наличию продувочных и выпускных окон.

Так как в двухтактных двигателях очистка цилиндров от сгоревших газов и наполнение их свежей смесью происходят через соответствующие окна, то с начала открытия последних до момента закрытия давление в цилиндре устанавливается близким к атмосферному и процесс сжатия начинается не сразу после НМТ, а только с момента закрытия окон; то же самое и рабочий ход заканчивается не в НМТ, как это мы рассматривали в идеальном цикле, а раньше, с момента на­чала открытия их. Таким образом, на протяжении высоты окон получается потеря рабочего хода. Высота этих окон от­нимает около 10—15% рабочего хода поршня.

Продолжительность открытия каждого ряда окон, очевид­но, определяется его высотой: чем выше окно, тем длиннее путь, проходимый поршнем вдоль окна, а следовательно, и больший период времени окно остается открытым. Время, или период, того или иного процесса, выраженное в градусах по­ворота коленчатого вала, носит название фазы процесса, или фазы газораспределения. Фазы газораспределе­ния обычно изображаются круговыми диаграммами. Такого рода диаграмма для мотора ЛМР-6 приведена на рис. 16.

Из рис. 16,а видно, что при движении поршня вверх пер­выми закрываются продувочные окна, а выпускные еще открыты и выпуск газов продолжается, вследствие чего часть засосанной смеси вылетает наружу. Это уменьшает коэффи­циент наполнения ?v и снижает мощность двигателя. На уве­личение наполнения двигателя сильно влияет процесс всасы­вания. Значительно лучшее наполнение картера смесью по­лучается при золотниковом распределении, когда всасывание может начинаться сразу после закрытия продувочных окон, а поджатие смеси сразу после прохождения поршнем ВМТ, как изображено на диаграмме (рис. 16,6), и происходит на всем остальном ходе поршня, до нового открытия продувочных окон.

На рис. 17 приведен ряд конструкций золотникового уп­равления впуском. Дисковый золотник представляет собой диск со сквозным окном для впуска воздуха. Своей шлифованной стороной он все время прижимается при посредстве слабой пружины к торцу одной из боковых стенок картера, на которой прорезано всасывающее окно. При вращении зо­лотника его окно набегает на окно картера, периодически со­общая последний с атмосферой.


Рис. 16. Круговые диаграммы газораспределения с поршневым и золотниковым впуском смеси:
а — поршневое распределение; б — золотниковое распределение

Иногда золотники изготовляются в виде пустотелого бара­бана с окном на цилиндрической поверхности. Цилиндрические золотники для свободного вращения выполняются с некото­рым зазором. При сжатии смесь через зазор частично будет протекать в картер; цилиндрические золотники применяются только на быстроходных двигателях, где влияние зазора не­значительно.

Гидравлические потери и понижение давления на протя­жении рабочего хода примерно остаются такими же, как и у четырехтактного двигателя.

Сумма всех перечисленных потерь в индикаторной диа­грамме двухтактного двигателя составляет приблизительно 8—10% от диаграммы теоретического цикла, а потому для определения работы цикла можно пользоваться последней, уменьшая ее на указанный процент.

Определять площадь диаграммы можно или при помощи специального прибора (планиметра), или вычертив ее на миллиметровке и подсчитав число миллиметров, заключен­ных внутри диаграммы. Площадь умножают на масштаб диаграммы и получают действительную работу цилиндра за один цикл.

Продолжительность отдельных фаз по углу поворота ко­ленчатого вала в современных двухтактных подвесных мото­рах колеблется в пределах: для всасывающих окон 100— 115°, для продувочных 86—115°, для выхлопных 110—135°.

Делая сводку всех явлений в цилиндре двухтактного дви­гателя за полный цикл, мы получим такую картину: 1-й такт — ход поршня к ВМТ:

над поршнем сжатие смеси/под поршнем всасывание смеси.


Рис. 17. Конструкции золотников для впуска рабочей смеси в картер:
а — дисковый золотник; б — цилиндрический золотник двухцилиндрового двигателя; в — цилиндрический золотник, приводимый от шестерни, свя­занной с коленчатым валом; г — цилиндрический золотник четырехци­линдрового двигателя

2-й такт — ход поршня к НМТ:

над поршнем сгорание и расширение/под поршнем сжатие смеси

Чистота заряда в двухтактных двигателях зависит от качества продувки. Количество отработанных газов после продувки колеблется в весьма широких пределах: от 3% для двухтактных двигателей с прямоточной продувкой при наличии избыточного воздуха или смеси при продувке и до­стигает 40—50% при камерной продувке.

Мощность двигателя и коэффициент полезного действия. Из механики известно, что мощность есть работа, совершае­мая в единицу времени. Работа за один полный цикл выра­жается произведением среднего индикаторного давления рi на рабочий объем цилиндра.

Зная число оборотов двигателя в минуту и среднее инди­каторное давление, легко подсчитать его мощность по формулам:


Получаемая мощность носит название индикаторной мощности двигателя. Она дает представление о работе газа, переданной поршню.

Из приведенных формул видно, что индикаторная мощ­ность возрастает:

1) с увеличением литража двигателя Vs ;

2) с увеличением числа оборотов коленчатого вала дви­гателя n;

3) с увеличением среднего индикаторного давления рi ;

4) с увеличением числа цилиндров i.

Индикаторную мощность нельзя полностью использовать, для полезной работы из-за существующих потерь в самом двигателе, или так называемых «механических потерь», кото­рые учитываются механическим коэффициентом полезного-действия. Мощность, которой мы можем располагать в дей­ствительности на коленчатом валу, называется «эффектив­ной мощностью».

Таким образом, под механическим коэффициентом полезного действия понимают отношение эффектив­ной мощности двигателя, т. е. мощности, действительно полу­чаемой на валу двигателя Ne к индикаторной, т. е. мощ­ности, передаваемой газами поршню двигателя Ni :


Так как при различном числе оборотов ηm неодинаков, то принято относить к двигателю только ηm , получающий­ся при максимально достижимой мощности Nemaks

Механические потери в двигателе можно подразделить на три основных вида:

1. На потери при трении всех движущихся частей двига­теля: поршня, поршневых колец, подшипников. Величина этого вида потерь является самой большой и в основном за­висит: а) от состояния поверхностей трущихся деталей, б) от давления между ними и в) от характера и качества смазки и равняется примерно 55—65% от общего количества меха­нических потерь.

2. На потери при приведении в действие вспомогательных механизмов (магнето, насосы) обычно падает от 6 до 18% от общего количества потерь.

3. На потери при наполнении цилиндра свежей смесью и очистку его от отработанных газов, так называемые «гидрав­лические», или «насосные потери», падает все остальное. По­следние потери слагаются из сопротивлений во всасываю­щем трубопроводе, в карбюраторе и во впускных окнах. Сю­да относят трение газов о шероховатую поверхность каналов.

Обычно механические потери на основании практических данных принимаются равными 10—25% от индикаторной мощности, т. е. к гребному винту может быть подведено лишь 90—75% мощности, передаваемой газами поршням двигателя.

Эффективная мощность подобно индикаторной может быть выражена соответственными формулами:


величина Pеf входящая в формулу эффективной мощно­сти, носит название среднего эффективного да­вления (по аналогии со средним индикаторным давлени­ем). Она в действительности не может быть замеренной на двигателе и является условной. Ее получают вычислением из формулы мощности, если известны: литраж двигателя, обо­роты и мощность, развиваемая двигателем на гребном валу. Когда двигатель построен, эффективная мощность, а следова­тельно, и среднее эффективное давление определяются испы­танием мотора или его двигателя на тормозном станке, где обычно замеряется развиваемый двигателем крутящий мо­мент, а по крутящему моменту определяют уже эффектив­ную мощность по формуле


где Мк выражен в кгм, а эффективное давление уже по­лучается из ранее приведенных формул мощности в кило­граммах на квадратный сантиметр. Среднее эффективное давление является важной величиной, им часто пользуются при сравнении различных двигателей между собой.

Для двухтактных двигателей подвесных моторов обычно­го типа величина среднего эффективного давления при мак­симальной мощности колеблется в пределах от 4 до 6 кг/см² и для спортивных и гоночных—от 7 до 12 кг/см².

С увеличением числа оборотов механические потери силь­но возрастают, требуя затраты полезной энергии, а заряд ци­линдра уменьшается. Потери возрастают не прямо пропор­ционально числу оборотов двигателя, а с некоторым превы­шением и, наконец, достигают величины прироста мощности; это соответствует максимальной мощности, после чего с дальнейшим ростом числа оборотов мощность двигателя на­чинает убывать.


Рис. 18. Типовой график внешней характеристики двигателя:
Ni и Nе — мощность; Мк — крутящий момент; Се — удельный расход топлива на 1 л. с. ч.; ηm — механический КПД двигателя

Диаграммы, показывающие изменение эффективной мощ­ности, в зависимости от числа оборотов при полном откры­тии дросселя получили название характеристик дви­гателей. Часто на этом же графике изображают кривые расхода топлива, изменения pt от числа оборотов, измене­ния крутящего момента Mk , механический КПД ηm , удель­ный расход топлива Се и другие данные, характеризующие двигатель. Такая диаграмма изображена на рис. 18.

Если эффективную мощность двигателя разделить на пол­ный рабочий объем двигателя, выраженный в литрах, то мы получим так называемую литровую мощность, т. е. мощность, отнесенную к одному литру рабочего объема, двигателя.

Литровая мощность характеризует полноту использования объема всех цилиндров двигателя.

Для гоночных моторов в настоящее время, литровая мощ­ность достигает величины 60—70 л. с, а в отдельных случа­ях бывает и значительно больше.

Двухтактные двигатели, уступая в экономичности четы­рехтактным двигателям, обладают, в свою очередь, такими преимуществами, как отсутствием клапанов и распределитель­ного механизма, повышенной литровой мощности, простотой конструкции и ухода за ним, меньшим удельным весом и де­шевизной двигателя в изготовлении. Чем проще двигатель, тем меньше причин для его неисправности, тем он надежнее. Здесь необходимо отметить и еще одно важное преимущест­во двухтактных двигателей: большую равномерность крутя­щего момента, так как в четырехтактных двигателях за счет инерции маховика осуществляются три такта, а в двухтакт­ном всего один. Поэтому для установления равномерности крутящего момента требуются маховики значительно мень­шего веса, что дополнительно снижает общий вес двухтакт­ного двигателя примерно на 10—20% и даже больше.

(1) Нормальными атмосферными условиями называется атмосферное давление 1 кг/см² и температура +15°.

(2) О детонации см. главу 6.

Вперед
Оглавление
Назад

Главное за неделю