Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2015 » Август » 10 » Экология ДВС ч.7. Мощность ДВС.
21:15
Экология ДВС ч.7. Мощность ДВС.

     Кратко познакомившись с основными положениями теории ДВС и их топлив, необходимо коснуться такого важного аспекта работы любого ДВС, как мощность. Мощность ДВС выражается в лошадиных силах или в киловаттах. Чаще всего приводят собственную мощность ДВС без учета потерь на трение в трансмиссии транспортного средства или удельную мощность ДВС из расчета на единицу массы двигателя. Среди всех поршневых ДВС, наибольшей мощностью обладают одноцилиндровые двухтактные ДВС с калильным зажиганием, их конструкция крайне проста (всего несколько десятков деталей) и очень легкая (нет многих вспомогательных узлов и агрегатов). Так, максимальная реально достижимая мощность данных двигателей достигает 20 л.с. на килограмм веса двигателя. На серийных транспортных средствах используются ДВС с удельной мощностью менее 2-3 л.с. на килограмм веса, исключениями являются лишь небольшие двухактные ДВС для очень легкой авиации (мотодельтапланы, паропланы, автожиры и пр.). Иногда двухактные ДВС с воздушным охлаждением применяются на небольших БПЛА.
    Слишком большая удельная мощность ДВС влечет за собой ряд негативных явлений, в первую очередь, это снижение ресурса двигателя и его экономичности по топливу. Нельзя забывать, что при равных КПД, двигателя более высокой мощность потребляют пропорционально больше топлива. Это делает не целесообразным установку на любое транспортное средство слишком мощных двигателей, так как, их масса и стоимость заметно больше, а максимальная мощность требуется далеко не всегда. Почему же так происходит? Что бы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться, от чего же зависит мощность поршневых ДВС.
    Работа поршневого ДВС основана на воздействии на поверхность головки поршня раскаленных расширяющихся продуктов сгорания топливной смеси (воздух + топливо + остатки продуктов сгорания предыдущей партии смеси). Как известно из курса физики, сила равна произведению давления на площадь поверхность, к которой приложено это давление. Так как, сечение поршня всегда является кругом (или очень близко к кругу), тогда площадь равна: S = 3,14*r2, где r – радиус поршня. Так же, известно, что работа, равная одной лошадиной силе это подъем 75 кг груза на высоту в один метр в условиях гравитации Земли. Давление в одну атмосферу равно усилию в один килограмм на каждый квадратный сантиметр площади поверхности. То есть, для совершения работы в одну лошадиную силу, необходимо, что бы поршень тепловой машины (в данном случае не важно, ДВС или паровой машины) с площадью поверхности 75 см2 преодолевал в течение рабочего хода расстояние в один метр при среднем избыточном давлении в цилиндре около 1 атм., при расчете на один рабочий цикл в секунду. Разумеется, это гипотетическая модель, на практике ДВС имеют заметно другие показатели. Для упрощения задачи, рассмотрим средние показатели простенького двухтактного ДВС небольшой мощности.
    Если диаметр поршня составляет около 5 см2, тогда площадь поверхности поршня (в сечении, без учета формы головки поршня, но, она не играет в данном случае большой роли) S=3,14*(2,5)2=19,63 см2, округлим эту величину до 20 см2. Экспериментально установлено, что воспламенение смеси происходит при давлении порядка 7 атм., при этом избыточное давление достигает 250 атм., среднее давление в течение рабочего хода поршня составляет порядка 25 атм. Длина рабочего хода поршня составляет, например, 10 см. Тогда имеем мощность ДВС равную произведению среднего давления на площадь поверхности и на расстояние, пройденное поршнем. A = P*S*L = 25*20*0,1 = 50 кг*м. Площадь поршня мы взяли в сантиметрах, так как, атмосферы превращаем в усилие в кг на см2, а длину в метрах, так как, усилие в килограммах прикладываем к пути в метрах (75 кг на 1 метр это одна л.с.). Если на выходном валу ДВС часто вращения при полной мощности достигает 1800 оборотов в минуту, или 30 оборотов в секунду, тогда умножаем полученную за один рабочий ход работу на 30 циклов. Полученные 1500 кг*м равны 1500/75=20 л.с. Эта мощность приложена к поршню ДВС и не учтены потери на трение, на практике устойчиво имеем около 15 л.с. на выходном валу ДВС. Эти расчеты несколько приблизительные, так как, мы не учли неравномерное изменение давления в ходе рабочего хода поршня, да и тепловые потери так же, оценили лишь приблизительно. Форма головки поршня имеет некоторое значение, хотя и больше для определения геометрии камеры сгорания (так как, она образована поверхностью головки поршня, крышкой блока цилиндров и стенкой гильзы цилиндра).
    Приведенный пример одноцилиндрового высокооборотного двухтактного ДВС имеет массу (при воздушном охлаждении и искровом зажигании) около 2-4 кг и может быть использован, например, на разведывательном БПЛА массой 30-40 кг. Дальнейшее снижение массы чревато резким падением рабочего ресурса. Ресурс двигателя измеряется в часах работы при средней мощности (иногда так же указывают ресурс при максимальной мощности). Данная величина варьирует в очень широких пределах. Например, огромный 24-цилиндровый дизель океанского лайнера может иметь ресурс при средней мощности порядка нескольких десятков тысяч часов (до первого капитального ремонта). В то же время, легкий двухтактный ДВС для мотодельтаплана мощностью всего в 2-4 л.с. имеет ресурс в десятки раз меньше. А, ТРД истребителя 2-го поколения среднего качества сборки (1960 – 1970-е годы) и вовсе мог иметь ресурс всего лишь в несколько десятков или сотен часов (например, ТРД WP7 китайского истребителя J-7 (лицензионный МиГ-21Ф-13) имел всего 100 часов).
    Ресурс ДВС определяется несколькими показателями: точность изготовления и подгонки деталей, износоустойчивость и термическая стойкость материалов двигателя, а так же, давлением и температурой газообразных продуктов сгорания рабочей смеси. Большое значение имеют мощность системы охлаждения и запас прочности деталей (иначе, толщина стенок), но, эти критерии приводят к увеличению массы ДВС и его стоимости. Использование высококачественных материалов и высокая точность изготовления деталей внедряются с самого начала развития всех ДВС, это естественный прогресс техники. Например, первые ДВС братьев Райт (использованные как на станках в их мастерской, так и на первом успешном самолете) совсем не содержали легированных сталей и алюминиевых сплавов, большая часть подшипников работали на скольжении и имели бронзовые вставки покрытые баббитом. Эти ДВС имели ресурс работы в разы ниже ресурса любого современного ДВС.
    Очень важным вопросом является выбор температуры и давления в процессе сгорания и рабочего цикла. На практике, при увеличении подачи топливной смеси в двигатель (открытие заслонки в карбюраторе путем нажатия на педаль “газ”) происходит наполнение цилиндра большим количеством рабочей смеси, что приводит к большем выделении энергии в процессе сгорания, следовательно, к большему давлению в течение рабочего хода поршня. Как результата, имеем увеличение частоты вращения коленчатого вала и некоторое увеличение усилия на нем. Этот механизм является единственным удобным путем регулировки мощности карбюраторных ДВС. Другим путем является изменение содержания топлива в топливной смеси. Снижение содержания топлива в рабочей смеси приводит к более полному сгорания и образования меньшего количества сажи и оксида углерода, хотя и к некоторому повышению количества оксидов азота в выхлопных газах. Главная проблема заключается в потерях энергии на сжатие лишнего азота воздуха (азота в воздухе около 80%), что снижает экономичность ДВС.
    Резюмируя все сказанное, делаем вывод, что каждый ДВС должен эксплуатироваться только в оптимальных для него условиях и при средней мощности. Повышение мощности (турбонаддув и впрыск дополнительного горючего, использование закиси азота и пр.) приводит к ускоренном износу ДВС. Снижение мощности ниже рекомендуемой (например, езда на 2-х тонном “спорткаре” с 400-450-сильным ДВС по городу при 70-120 км/час) приводит к перерасходу топлива, излишней массе и стоимости автомобиля. Соблюдение оптимальной мощности при проектировании ДВС для всех транспортных средств является необходимым условием, не только минимизации стоимости ТС и расхода горючего, но и решения многих экологических проблем.

Категория: Топливо и энергетика | Просмотров: 847 | Добавил: Chemadm | Теги: жидкое топливо, экология транспорта, работа ДВС | Рейтинг: 4.7/3
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]