оза / Мех потери

Механические потери в двигателе

Получаемая в цилиндре двигателя индикаторная мощность не может быть полностью реализована из-за наличия механических потерь. Под механическими потерями понимают потери на все виды механического трения, осуществление газообмена, привод вспомо­гательных механизмов (водяного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и пр.), вентиляционные потери, связанные с движением деталей двигателя при больших скоростях в среде воздушно-масляной эмульсии и воздуха, а также на привод комп­рессора. В дизелях с разделенными камерами сгорания к механичес­ким потерям относят обычно также газодинамические потери на перетекание заряда между полостями камеры сгорания.

Потери на преодоление сопротивлений оценивают величиной мощности механических потерь. Баланс механических потерь можно выразить следующим выражением:

N_ТР – потери на трение движущихся деталей (трение между поршнем и стенками цилиндра в шатунных и коренных подшипниках и т.д) – составляют 60…70 %;

N_НХ – насосные потери, потери расходуемые на осуществление газообмена (13…15 %);

N_ВСП – потери на привод вспомогательных механизмов, обеспечивающих работоспособность двигателя (привод масляного и водяного насосов) – 12…17 %;

N_ГИДР – потери на сопротивление при движении деталей КШМ в масле или воздухе – 5…10%;

N_НАД – потери на привод компрессора

По аналогии с понятием P_i, вводится понятие о среднем давлении механических потерь P_МП, как об удельной работе механических потерь при осуществлении одного цикла, т. е. цикловой работе потерь, приходящейся на единицу рабочего объема цилиндра:

где Р_ТР — потери давления на трение; Р_НХ — то же, на газообмен; Р_ВСП — то же, на привод вспомогательных механизмов; Р_ГИДР— то же, на вентиляцию; Р_НАД — то же, на привод компрессора.

Основная часть механических потерь — потери на трение (до 80% Р_МП)- Большая часть потерь на трение приходится на пары поршень — гильза, поршневые кольца — гильза (45...55%). Потери на трение в подшипниках составляют до 20%.

Силы, нагружающие трущиеся пары – силы инерции, газовые силы и силы упругости (колец, пружин).

По данным Н. Р. Брилинга, при средней скорости поршня С_т=8 м/с потери на трение от действия сил инерции составляют 75% от Р_ТР. Большое влияние на потери от трения оказывают силы упругости поршневых колец, которые не зависят от режима работы двигателя. В течение короткого интервала времени вблизи ВМТ под действием наибольших газовых сил резко возрастает сила, с которой поршневые кольца, особенно верхние, прижимаются к гильзе. Мала в этот период и скорость движения кольца, что приводит к измене­нию режима трения и увеличенному износу гильзы в зоне, примерно соответствующей положению поршня в ВМТ. На Р_ТР существенное влияние оказывают следующие факторы:

-тепловой режим двигателя в связи с его влиянием на вязкость смазки, от которой существенно зависят силы жидкостного трения;

-частота вращения. Увеличение п приводит к росту сил инерции и относительной скорости перемещения деталей. Одновременно несколько возрастает температура и падает вязкость смазочного масла. Силы жидкостного трения увеличиваются в основном из-за повышения относительной скорости перемещения деталей, а силы граничного трения изменяются из-за роста нагрузок на трущиеся пары. В целом потери на трение существенно увеличиваются с ро­стом п.

-увеличение нагрузки ведет к росту газовых сил и повышению температуры деталей. Силы жидкостного трения при этом умень­шаются из-за снижения вязкости смазки, а силы граничного трения растут из-за увеличения газовых сил.

При выполнении правил эксплуатации двигателя потери на тре­ние вначале снижаются из-за приработки деталей, а затем стабили­зируются.

Потери на газообмен Р_НХ связаны с неодинаковой величиной работы впуска и выпуска. Для анализа влияния различных факторов на Р_НХ можно использовать выражение:

где Δ Р_ВП и Δ Р_ВЫП – средние за процессы газообмена перепады давле­ния во впускном и выпускном клапанах.

Потери на газообмен могут быть обратного знака по отно­шению к остальным элементам внутренних потерь. При этом их только условно можно назвать потерями. Положительная ра­бота газообмена имеет место при наддуве четырехтактного дви­гателя от компрессора, механически связанного с коленчатым валом, а также на отдельных режимах работы двигателя с га­зотурбинным наддувом, на которых среднее давление перед впуск­ными органам Р_К больше среднего давления за выпускными органами Р_Р.

Потери на газообмен тем больше, чем выше сопротивление впускной и выпускной систем и больше скорость движения газов. С ростом частоты вращения потери на газообмен во всех типах двигателей растут в результате уменьшения работы впуска и увели­чения работы выпуска. Связано это с ростом перепадов давлений во впускной и выпускной системах (рис. 1, а). Среднее давление потерь на газообмен

где А — постоянная; т = 1,7...2,0 (для двигателей с газотурбинным наддувом m>2).

В двигателях с искровым зажиганием потери на газообмен воз­растают при уменьшении нагрузки, так как при этом прикрывается дроссельная заслонка, увеличивается сопротивление впускной систе­мы и снижается положительная работа впуска.

Нередко наблюдается увеличение работы газообмена в дизеле при снижении нагрузки ниже определенного значения. Это связано с тем, что при малой нагрузке давление в цилиндре в момент начала открытия выпускного клапана мало, поэтому невозможно эффек­тивное истечение отработавших газов в период свободного выпуска с соответствующим уменьшением их количества и давления. Мень­шими оказываются и эжекционные эффекты в процессе выпуска. В результате в конце процесса выпуска давление в цилиндре начина­ет расти — наблюдается «поджатие» отработавших газов (рис. 1, б). Для дизелей без наддува и с наддувом от приводного компрес­сора потери на газообмен сравнительно мало изменяются в зависи­мости от нагрузки. В дизелях с газотурбинным наддувом потери на газообмен в зависимости от типа системы наддува, характеристик газотурбонагнетателей и их согласования с характеристиками дви­гателя, конструкции и размеров органов и фаз газообмена могут как увеличиваться, так и уменьшаться при возрастании нагрузки.

Рис. 1. Диаграммы насосных ходов дизеля без наддува при различных частотах вращения (а) и нагрузках (б):а — n=2100мин^-1 (—), n= 1100 мин^-1 (– – – ); б — большая (—) и малая (– – – ) нагрузки

В высокооборотных двигателях с газотурбинным наддувом сре­днее давление потерь на газообмен велико и составляет значитель­ную часть Р_МП (25% и более). Связано это с тем, что при установке на выпуске газовой турбины большой оказывается работа вытал­кивания. Поэтому применительно к двигателям с газотурбинным наддувом развитие проходных сечений во впускных клапанах за счет выпускных не всегда целесообразно.

Вентиляционные потери и потери на привод вспомагательных механизмов зависят от частоты вращения и растут при ее увеличении. В первом приближении можно счи­тать, что потери на привод вспомогательных механизмов не зависят от нагрузки. Обычно Р_ВСП=5…10 %.

Все составляющие Р_МП существенно возрастают при увеличении частоты вращения или пропорциональной ей средней скорости поршня с_т. Принято выражать среднее давление механических по­терь в функции с_т, величина которой определяется не только часто­той вращения, но и ходом поршня.

,

где S – ход поршня, n – частота вращения.

Логична также функциональная связь Р_НХ=f (с_т) так как скорости газов во впускных и выпускных трактах, от которых зависят перепады давлений и потери на газообмен, определяются не частотой вращения, а скоростью поршня. Потери на трение изменяются пропор­ционально первой степени с_т, а потери на газообмен, вентиляцион­ные потери и потери на привод вспомогательных механизмов — пропорционально второй степени с_т, поэтому зависимость Р_МП для двигателя без наддува от скоростного режима в общем случае имеет вид

Так как наибольшую долю Р_МП составляют потери на трение, зависящие от первой степени с_т, то нередко эмпирические зависи­мости выражают в виде

Значения а, b зависят от типа, конструкции, размеров, количест­ва цилиндров и теплового состояния двигателя. При увеличении количества цилиндров уменьшается количество подшипников, приходящихся на один цилиндр, снижаются P_ГИДР и Р_ВСП поэтому коэффициенты а и b имеют меньшие значения. В результате уменьшает­ся Р_МП.

Увеличение рабочего объема при сохранении отношения S/D приводит к снижению Р_МП вследствие следующих причин:

-если количество и высота колец одинаковы, то силы давления газов, прижимающие кольца к гильзе, растут пропорционально D, а площадь поршня – пропорционально D² . Так как Р_МП есть сила механических потерь, отнесенная к единице площади поршня, то она при этом снижается;

-уменьшаются удельные (отнесенные к площади поршня) значе­ния сил инерции;

-уменьшается Р_ВСП.

В табл. 1 приведены значения а и b для автотракторных двигателей без наддува.

Таблица 1

Типы двигателей	а, МПА	b,МПа с/м
Дизели	0,08…0,1	0,01…0,012
Двигатели с искровым зажиганием	0,05	0,01…0,012

Меньшие значения для двигателей с четырехклапанным газо­распределением. Значения а и b приведены для случая определения Р_МП в МПа. Для двигателей с наддувом можно использовать при подсчете среднего давления механических потерь следующее выра­жение:

где с=0,1...0,2 учитывает увеличение потерь, связанное с трением; d= 0,02...0,04 МПа оценивает потери на газообмен в двигателе без наддува; Р_Т –Р_К и ρ_К/ρ₀ оценивают изменение газообмена при над­дуве; с_m в м/с, Р_Т и Р_К в МПа.

6