Основные параметры и характеристики двигателя

---

Строительные машины и оборудование, справочник

Основные параметры и характеристики двигателя

Работа двигателя характеризуется тремя основными параметрами: мощностью, крутящим моментом и удельным расходом топлива. Различают индикаторную, эффективную, литровую и налоговую мощность.

Индикаторная мощность, развиваемая в цилиндре двигателя, не может быть полностью использована для выполнения полезной работы. Часть ее расходуется на преодоление трения между сопряженными деталями двигателя (цилиндр — поршень, коленчатый вал — подшипники), на привод вспомогательных механизмов (водяной и масляный насосы, вентилятор, генератор и др.), на процесс газообмена в цилиндре (впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов). Мощность, равноценная этим потерям, называется мощностью механических потерь NM. Величина NM зависит от типа двигателя и условий его эксплуатации. На величину NM оказывает влияние температура охлаждающей жидкости и масла в Двигателе.

Одним из основных показателей качества двигателя является его экономичность, которая определяется количеством топлива GT в килограммах, расходуемым двигателем за 1 ч работы. Параметрами, характеризующими экономичность работы двигателя, являются индикаторный и эффективный удельные расходы топлива.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Тепловой баланс двигателя может определяться экспериментально или расчетным путем.

Автотракторный двигатель эксплуатируется в условиях переменных нагрузок, частого изменения скоростного режима, поэтому мощность двигателя всегда должна соответствовать такой величине, при которой машина движется с требуемой скоростью, обеспечивает заданные динамические качества при высокой топливной экономичности. Для оценки технико-экономических показателей двигателей при работе в различных условиях пользуются характеристиками двигателей. Характеристикой называется графическая зависимость одного из основных показателей работы двигателя (эффективная мощность Ne, эффективный крутящий момент Ме, частота вращения пе коленчатого вала, эффективный удельный расход топлива ge) от другого показателя или фактора, влияющего на его работу. Характеристики двигателей снимаются во время испытаний на специальных стендах при установившихся режимах работы.

Различают скоростные, нагрузочные и регулировочные характеристики двигателей.

Скоростная характеристика представляет собой зависимость эффективной мощности Ne, эффективного крутящего момента на валу двигателя Ме, эффективных часового де и удельного ge расходов топлива от частоты вращения коленчатого вала пе. Различают внешнюю скоростную характеристику, соответствующую полному открытию дроссельной заслонки карбюраторного двигателя или аксимальной подаче топлива в дизеле, и частичные скоростные характеристики, полученные при неполностью открытых дроссель-ных заслонках или подачах топлива. Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя снимается в диапазоне от минимальной устойчивой частоты вращения, соответствующей номинальной эффективной мощности. При малой частоте вращения коленчатого вала развиваемая двигателем мощность Ne невелика ввиду медленного сгорания топлива, сопровождаемого большой теплоотдачей.

Рис. 1. Внешние скоростные характеристики двигателей

Однако с дальнейшим увеличением пе рост развиваемой двигателем мощности начинает замедляться вследствие уменьшения среднего эффективного давления ре в цилиндрах из-за уменьшения коэффициента наполнения и увеличения механических потерь.

Внешнюю скоростную характеристику дизеля снимают при максимальной подаче топлива в цилиндры на определенном скоростном режиме, бездымной работе и наивыгоднейшем угле опережения впрыска топлива. В диапазоне частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу от пх до пt двигатель может работать только без нагрузки.

Рекламные предложения:

Читать далее: Топлива, применяемые для двигателей внутреннего сгорания

Категория: — Автомобили и трактора

Главная → Справочник → Статьи → Форум

---

---

Технические характеристики двигателя

Главная  /  Учебник по устройству автомобиля  /  Глава 4.

Двигатель » Подраздел 4.4 Основные технические характеристики двигателя

О любом двигателе можно получить представление, зная набор определенных технических параметров.

Диаметр цилиндра. Имеется в виду внутренний диаметр цилиндра. Обычно измеряется в нескольких точках и рассчитывается как среднее арифметическое из полученных данных.

Ход поршня — это расстояние, которое поршень проходит от ВМТ до НМТ. Равняется также удвоенному радиусу кривошипа.

Примечание
Обычно при описании технических характеристик двигателя диаметр цилиндра и ход поршня записываются вместе, через знак «х», например 95 х 85 мм. Если ход поршня превышает диаметр цилиндра, двигатель называют длинноходным, если наоборот – короткоходным.

Рисунок 4.4 Ход поршня.

Радиус кривошипа – это расстояние, на которое шатунная шейка (та, к которой крепится шатун) отведена от оси коренной шейки коленчатого вала, как показано на рисунке 4. 4.

Рабочий объем двигателя – объем пространства, заключенный между ВМТ и НМТ поршня, умноженный на количество цилиндров. Измеряется в сантиметрах кубических (см³) или литрах (л). А объем, который находится над поршнем, когда тот установлен в ВМТ, называется объемом камеры сгорания. Сумма объема камеры сгорания и рабочего объема называется полным объемом. Обычно в характеристиках полный объем не приводится, однако используется для получения такого немаловажного параметра, как степень сжатия.

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Данный параметр характеризует то, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь в цилиндре. Записывается обычно в виде соотношения, например, 14:1 – в данном случае имеется в виду, что камера сгорания по объему в 14 раз меньше полного объема. Степень сжатия влияет на эффективность и мощность двигателя: чем выше, тем эффективнее, но есть и ограничения, ввиду особенностей используемого топлива (смотрите ниже в разделе «Система питания современных двигателей»).

Примечание
Если двигатель бензиновый, то бесконечно увеличивать степень сжатия нельзя, так как вместе с этим увеличивается вероятность детонации топливовоздушной смеси и, как следствие, происходит выход из строя всего двигателя. Подробнее о детонации будет рассказано ниже.

Рядность – обозначение взаимного расположения цилиндров. Двигатель может быть рядным, V-образным, W-образным.

Рисунок 4.5 Различные варианты взаимного расположения цилиндров.

Порядок работы. Если в двигателе больше двух цилиндров, то для более равномерной и сбалансированной работы агрегата необходимо, чтобы рабочий ход в каждом из цилиндров реализовывался не одновременно, а в определенной последовательности, при этом очередность определяется, в основном, количеством цилиндров.

Примечание
Для ДВС с одинаковым количеством цилиндров может быть несколько вариантов порядка работы.

Так, например, самый распространенный порядок работы четырехцилиндрового двигателя: 1 – 3 – 4 – 2. Такая запись говорит о том, что сначала рабочий ход будет совершать поршень первого цилиндра, затем третьего, четвертого и второго, соответственно.

Для примера опишем работу четырехцилиндрового рядного двигателя.

Рисунок 4.6 Схематическое изображение четырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателя.

В четырехтактном четырехцилиндровом рядном двигателе (показан на рисунке 4.6) кривошипы коленчатого вала расположены в одной плоскости: два крайних кривошипа 1-й и 4-й под углом 180° к двум средним — 2-му и 3-му. При вращении вала поршни первого и четвертого, а также второго и третьего цилиндров попарно движутся в одном направлении. Когда поршни первого и четвертого цилиндров приходят в НМТ, поршни второго и третьего цилиндров находятся в ВМТ, и наоборот. В каждом из цилиндров рабочий цикл завершается за два оборота коленчатого вала, а чередование тактов подобрано таким образом, что одновременно во всех цилиндрах происходят разные такты. Этим обеспечивается равномерность вращения вала.

Предположим, что при первом полуобороте вала (от 0 до 180°) в первом цилиндре поршень идет от ВМТ до НМТ и в нем происходит рабочий ход. Тогда в четвертом цилиндре поршень также движется к НМТ, но происходит впуск горючей смеси. Во втором и третьем цилиндрах поршни движутся к ВМТ, при этом в третьем цилиндре идет сжатие рабочей смеси, а во втором — выпуск отработавших газов.

Примечание
Моменты открытия и закрытия клапанов регулируются распределительным валом (подробнее рассмотрено ниже).

В течение дальнейших трех полуоборотов коленчатого вала в каждом из цилиндров такты будут следовать в обычной для четырехтактного процесса очередности.

К тому времени, когда вал закончит четвертый полуоборот, во всех цилиндрах произойдут все такты рабочего цикла. При дальнейшем вращении вала такты будут повторяться в той же последовательности.

При работе четырехтактного четырехцилиндрового двигателя на каждый полуоборот коленчатого вала приходится один рабочий ход, причем рабочие ходы чередуются не в порядке расположения цилиндров, а в другой последовательности.

Сначала рабочий ход происходит в первом цилиндре, затем в третьем, далее в четвертом и, наконец, во втором, т. е. рабочие ходы чередуются в порядке 1 — 3 — 4 — 2. Этот порядок чередования рабочих ходов по цилиндрам называется порядком работы двигателя.

Рисунок 4.7 Полуобороты коленчатого вала.

При одной и той же форме расположения кривошипов вала, но при другом порядке открытия и закрытия клапанов, что зависит от конструкции механизма газораспределения, четырехцилиндровый двигатель может иметь другую последовательность чередования тактов и другой порядок работы. Если при первом полуобороте вала в третьем цилиндре будет происходить такт выпуска, а во втором — такт сжатия, то чередование тактов в двигателе изменится, и получится порядок работы 1 — 2 — 4 — 3.

Полуобороты коленчатого вала	Углы поворота коленчатого вала, град	Цилиндры
		1-й	2-й	3-й	4-й
1-й	0 – 180	Рабочий ход	Выпуск	Сжатие	Впуск
2-й	180 – 360	Выпуск	Впуск	Рабочий ход	Сжатие
3-й	360 – 540	Впуск	Сжатие	Выпуск	Рабочий ход
4-й	540 – 720	Сжатие	Рабочий ход	Впуск	Выпуск

Компрессия в цилиндре – максимальное давление, создаваемое в цилиндре при сжатии воздуха поршнем. Зачастую измеряется в барах или кг/см2. Часто степень сжатия путают с компрессией. Однако надо всегда помнить, что степень сжатия — параметр исключительно геометрический, в отличие от компрессии.

Мощность двигателя

– работа двигателя, совершаемая в единицу времени, измеряется в лошадиных силах (л. с.) или киловаттах (кВт). Проще говоря, мощность — это параметр, который описывает, как быстро может вращаться коленчатый вал двигателя. Чтобы лучше понять, представьте, что вы велосипедист, а мощность — это характеристика, описывающая, как быстро вы можете крутить педали.

Крутящий момент – произведение силы на плечо. В случае двигателя внутреннего сгорания — это тяга, создаваемая на коленчатом валу, иначе говоря — сила, с которой поршень давит через шатун на шатунную шейку коленчатого вала, умноженная на радиус кривошипа (смотрите выше). Чтобы было понятней, вернемся к велосипедисту. Величина тяги на оси педалей зависит как от длины педали (плеча), так и от силы, с которой велосипедист давит на эту педаль. Измеряется крутящий момент в Ньютон на метр (Н·м).

Подраздел 4.3 Классификации двигателей

Назначение, устройство и типы подвесок автомобиля Автоматическая трансмиссия

Подраздел 4.5 Газораспределительный механизм (ГРМ)

 

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus. comments powered by Disqus

Исследование и влияние угла опережения зажигания на работу бензинового двигателя и выбросы | European Transport Research Review

• Оригинальный документ
• Открытый доступ
• Опубликовано: 25 апреля 2013 г.

• Дж. Зари ¹ и
• А. Х. Какаи ¹  

Европейский обзор транспортных исследований том 5 , страницы 109–116 (2013 г.)Процитировать эту статью

• 54 тыс. обращений

• 32 Цитаты

• Сведения о показателях

Abstract

Введение

Момент зажигания в двигателе с искровым зажиганием представляет собой процесс установки времени, когда в камере сгорания произойдет воспламенение (во время такта сжатия) относительно положения поршня и угловой скорости коленчатого вала. Установка правильного угла опережения зажигания имеет решающее значение для производительности и выбросов выхлопных газов двигателя. Цель настоящей работы состоит в том, чтобы оценить, может ли изменение угла опережения зажигания влиять на выбросы выхлопных газов и характеристики двигателя SI.

Метод

Для достижения этой цели при частоте вращения 3400 об/мин момент зажигания был изменен в диапазоне от 41° до ВМТ до 10° до ВМТ, а для оптимизации работы был разработан угол опережения зажигания при полностью открытой дроссельной заслонке и наконец, получают и обсуждают рабочие характеристики, такие как мощность, крутящий момент, BMEP, объемный КПД и выбросы.

Результаты

Результаты показывают, что оптимальная мощность и крутящий момент достигаются при 31°C перед верхней мертвой точкой и объемный КПД, BMEP увеличиваются с увеличением угла опережения зажигания. О ₂ , CO ₂ , CO был почти постоянным, но HC с опережением опережения зажигания увеличивался, и наименьшее количество NO _x достигается при 10 ВМТ.

Выводы

В заключение было получено, что угол опережения зажигания можно использовать как альтернативный способ прогнозирования работы двигателей внутреннего сгорания. Также было обнаружено, что частота вращения двигателя и положение дроссельной заслонки значительно влияют на характеристики этого двигателя.

1 Введение

Работа двигателей с искровым зажиганием зависит от многих факторов. Одним из самых важных является момент зажигания. Кроме того, это один из наиболее важных параметров для оптимизации эффективности и выбросов, позволяющий двигателям внутреннего сгорания соответствовать будущим целям и стандартам выбросов [1]. С момента появления первого четырехтактного двигателя Отто разработка двигателя с искровым зажиганием достигла высокого уровня успеха. В первые годы основной целью конструкторов двигателей было увеличение мощности двигателя и надежности его работы. Однако в последние годы момент зажигания привлек повышенное внимание к разработке усовершенствованных двигателей SI для достижения максимальной производительности [2, 3].

Чан и Чжу работали над моделированием термодинамики в цилиндрах при высоких значениях задержки воспламенения, в частности над влиянием задержки зажигания на распределение давления в цилиндре. Также были рассчитаны температура газа в цилиндре и захваченная масса при различных условиях зажигания [4]. Сойлу и Герпен разработали двухзонную термодинамическую модель для исследования влияния момента зажигания, состава топлива и коэффициента эквивалентности на скорость горения и давление в цилиндре для двигателя, работающего на природном газе [5]. Был проведен анализ скорости горения для определения периода возникновения и распространения пламени при различных режимах работы двигателя [5].

Модель нульмерного термодинамического цикла с двухзонной моделью сжигания/несгорания, в основном основанная на работе Фергюсона и Крикпатрика [6], была разработана для прогнозирования давления в цилиндре, выполненной работы, тепловыделения, энтальпии выхлопных газов и т.д. вперед. Нульмерная модель основана на первом законе термодинамики, в котором устанавливается эмпирическая связь между скоростью сгорания топлива и положением кривошипа.

Сегодня поддержание чистоты окружающей среды стало важной проблемой в промышленно развитом обществе. Загрязнение воздуха, вызванное автомобилями и мотоциклами, является важной экологической проблемой, которую необходимо решить. Для этой цели поиск новых альтернативных источников энергии вместо нефти в двигателях внутреннего сгорания становится необходимостью как никогда.

2 Испытательный двигатель

Средства для контроля и управления параметрами двигателя (такими как: частота вращения двигателя, нагрузка двигателя, температура воды и смазочного масла, потоки топлива и воздуха и т. д.) установлены на полностью автоматизированном испытательном стенде, экспериментальный стандартный двигатель SI , расположенный в лаборатории компании «Иран Ходро». Первый набор рабочих характеристик был получен при изменении угла синхронизации, давление во впускном коллекторе составляло 100 кПа, а эквивалентность поддерживалась на уровне единицы. Технические характеристики испытательного двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1 Технические характеристики двигателя

Полноразмерная таблица

Двигатель установлен на полностью автоматизированном испытательном стенде и соединен с вихретоковым динамометром Schenck W130, способным поглощать нагрузку и управлять двигателем. Имеется один электрический датчик скорости и один датчика нагрузки, сигналы от которых подаются на индикаторы на панели управления и на контроллер. С помощью ручек на панели управления оператор может настроить динамометр на контроль скорости или нагрузки. Также имеется возможность установки угла опережения зажигания с помощью переключателя на панели управления. Циркуляция охлаждающей жидкости и смазочного масла осуществляется насосами с электрическим приводом, а температура регулируется теплообменниками с подачей воды. Нагреватели используются для поддержания температуры масла и охлаждающей жидкости во время прогрева и в условиях легкой нагрузки. На рис. 1 показана панель управления и испытательный двигатель на динамометрическом стенде.

Рис. 1

Панель управления и проверка двигателя на динамометрическом стенде

Увеличенное изображение

3 Метод

3.1 Прибор для анализа выхлопных газов

Прибор для анализа выхлопных газов состоит из ряда анализаторов для измерения сажи, NOx, CO и общее количество несгоревших углеводородов (HC). Уровень дыма (сажи) в выхлопных газах измерялся с помощью «AVL Di Gas», показания которого представлены в единицах Харта (% непрозрачности) или эквивалентной плотности дыма (сажи) (миллиграммы сажи на кубический метр выхлопных газов). ). Концентрация оксидов азота в ppm (частей на миллион по объему) в выхлопных газах измерялась анализатором «Сигнал» серии-4000, оснащенным обогреваемой линией с термостатическим управлением.

3.2 Экспериментальные ошибки

Никакая физическая величина не может быть измерена с полной уверенностью; всегда есть ошибки в любом измерении. Это означает, что если мы измерим некоторую величину, а затем повторим измерение, то почти наверняка во второй раз измерим другую величину.

Однако по мере того, как мы проявляем большую осторожность в наших измерениях и применяем все более совершенные экспериментальные методы, мы можем уменьшить ошибки и, таким образом, получить большую уверенность в том, что наши измерения все больше приближаются к истинному значению [7].

3.2.1 Объединение ошибок в расчетах

При выполнении нескольких измерений и их объединении в формулы результирующая ошибка будет представлять собой комбинацию отдельных ошибок. Хотя ошибки могут компенсироваться, мы должны вычислить максимально возможную ошибку, предполагая, что ошибки аддитивны [8, 9].

Сначала преобразуйте абсолютные ошибки в % ошибок. Максимально возможная ошибка определяется путем сложения % ошибок вместе. Если при расчете показание возводится в степень, то % ошибки для этой части представляет собой степень, умноженную на % ошибки. Как правило, ошибки можно разделить на два широких и грубых, но полезных класса: систематические и случайные.

Систематические ошибки — это ошибки, которые имеют тенденцию к систематическому сдвигу всех измерений, так что их среднее значение смещается. Это может быть связано с такими вещами, как неправильная калибровка оборудования, постоянное неправильное использование оборудования или неспособность должным образом учесть какой-либо эффект [10].

Источниками систематических ошибок являются внешние воздействия, которые могут изменить результаты эксперимента, но поправки на которые недостаточно известны. В науке причины, по которым часто требуется несколько независимых подтверждений экспериментальных результатов (особенно с использованием разных методов), заключаются в том, что разные устройства в разных местах могут подвергаться различным систематическим эффектам. Поэтому следует учитывать погрешности прибора перед тестированием.

3.2.2 Расчетная комбинированная ошибка

Коэффициент вероятной ошибки в каждом среднем получается из комбинированных ошибок каждой части. Предположим, что M равно u ₁ ,   u ₂ ,   …  u _n независимая переменная n функция количества [11, 12]

$$ \begin{array}{c}\hfill f\left({u}_1\pm \varDelta {u}_1,\kern0. 2f}{\partial {u}_1}+\dots \right\} +\dots \hfill \end{массив} $$

(1)

(2)

Вероятная ошибка

(3)

Вероятная ошибка в полученных измерениях

(4)

Вероятная ошибка каждого измерения

(5)

Среднее количество вероятных ошибка с доверительной вероятностью 99 %

(6)

Средняя величина вероятной ошибки с доверительной вероятностью 95 %

(7)

После того, как есть некоторые экспериментальные измерения, они обычно объединяются в соответствии с некоторой формулой для получения желаемой величины. Чтобы найти предполагаемую ошибку для вычисленного результата, нужно знать, как комбинировать ошибки во входных величинах. Простейшей процедурой было бы добавить ошибки. Это было бы консервативным предположением, но оно переоценивает неопределенность результата. Ясно, что если ошибки во входных данных случайны, то они будут компенсировать друг друга по крайней мере некоторое время. Случайны ли ошибки измеряемых величин и независимы ли они, можно получить из нескольких простых формул. В этом исследовании среднее количество вероятных ошибок с 9Достигнута достоверность 9 %.

3.2.3 Состояние и параметры испытаний-методика эксперимента

Серию испытаний проводят с изменением угла опережения зажигания при работе двигателя на частоте вращения 3400 об/мин при угле опережения зажигания 41 угол поворота коленчатого вала перед ВМТ и при полная нагрузка. Из-за различий между теплотворной способностью и содержанием кислорода в испытуемых топливах сравнение должно проводиться при одном и том же среднем эффективном давлении моторного торможения, т. е. при нагрузке, а не при соотношении воздух/топливо. в этом же тесте учитываются точность измерений и точность измерений и неопределенность вычисленных результатов.

В каждом испытании измеряются объемный расход топлива, дымность выхлопных газов и регулируемые выбросы выхлопных газов, такие как оксиды азота (NOx), окись углерода (CO) и общее количество несгоревших углеводородов (HC). Из первого измерения рассчитываются удельный расход топлива и термическая эффективность тормозов с использованием плотности образца и низшей теплотворной способности. В таблице 2 показана точность измерений и неопределенность результатов вычислений различных параметров.

Таблица 2 Точность измерений и неопределенность расчетных результатов

Полноразмерная таблица

4 Результаты и обсуждение

Первая корректировка рабочих характеристик была проведена при изменении положения дроссельной заслонки. Изменяя положение дроссельной заслонки, давление во впускном коллекторе изменялось до 100 кПа в положении полностью открытой дроссельной заслонки. Скорость поддерживалась на уровне 3400 об/мин, а коэффициент эквивалентности оставался равным единице.

Результаты показывают, что среднее эффективное давление в тормозной системе (BMEP) имеет тенденцию увеличиваться с увеличением угла опережения зажигания до 31° перед верхней мертвой точкой (ВМТ), а затем падает. Наилучшие характеристики будут достигнуты при максимальном зажигании 31° до ВМТ. Если опережение зажигания недостаточно опережающее, первоначальная часть максимального давления будет создаваться в такте расширения, и в этом случае мы теряем полезную эффективность и снижаем производительность.

Максимальный BMEP достигается при моменте зажигания 31°ВМТ. Минимальное опережение для максимального тормозного момента (MBT) определяется как наименьшее опережение, при котором достигается 99 % максимальной мощности.

Следует отметить, что MBT будет изменяться как в зависимости от положения дроссельной заслонки, так и от частоты вращения двигателя в условиях большего количества дроссельной заслонки; плотности заряда в цилиндре на менее плотных смесях потребуется не очень большое опережение зажигания. В этом случае воспламенение происходит и дает соответствующие характеристики (рис. 2).

Рис. 2

Взаимосвязь между IMEP и BMEP и опережением зажигания — полностью открытая дроссельная заслонка; Соотношение эквивалентности одного

Изображение в натуральную величину

На приведенном выше рисунке показано, что указанное среднее эффективное давление (IMEP) имеет тенденцию к увеличению с опережением опережения зажигания между 21 и 41° до ВМТ. Ожидается, что IMEP должен увеличиваться с увеличением угла синхронизации до определенной точки, а затем уменьшаться. Наилучшие характеристики достигаются, когда большая часть сгорания происходит вблизи верхней мертвой точки. Если момент зажигания недостаточно опережен, поршень уже будет двигаться вниз, когда происходит большая часть сгорания. В этом случае мы теряем возможность расширять эту порцию газа на весь диапазон, снижая производительность. Если угол опережения зажигания будет слишком опережать, слишком много газа сгорит, пока поршень все еще поднимается. Работа, которую необходимо совершить, чтобы сжать этот газ, уменьшит произведенную чистую работу. Эти конкурирующие эффекты приводят к тому, что IMEP достигает максимума в зависимости от опережения зажигания.

Как видно на рис. 3, пиковое давление увеличивается с увеличением угла опережения зажигания перед верхней мертвой точкой. Максимальное давление будет достигнуто, если весь газ сгорит к моменту достижения поршнем ВМТ. Но давление уменьшается с менее опережающим опережением зажигания, потому что; газ не сгорает полностью, пока поршень не опустится на такте расширения.

Рис. 3

Зависимость между температурой выхлопных газов и пиковым давлением в цилиндре в зависимости от момента зажигания при полностью открытой дроссельной заслонке; отношение эквивалентности одного

Изображение полного размера

На приведенном выше рисунке также видно, что температура выхлопных газов снижается по мере приближения к ВМТ и ВМТ. IMEP представляет собой работу, совершаемую поршнем. Температура выхлопных газов представляет собой энтальпию выхлопных газов для идеальных газов. Энтальпия является функцией только температуры, и энергия, выделяемая при сгорании топлива, должна идти на работу расширения. Температура выхлопных газов также снижается, если необходимо сохранить энергию (рис. 4).

Рис. 4

Зависимость между BMEP и моментом зажигания. Частота вращения двигателя 3400 об/мин, давление во впускном коллекторе 100 кПа

Изображение с полным размером

Результаты показывают, что BMEP увеличивается с опережением опережения зажигания. Это ожидало, что BMEP уменьшится с закрытием времени зажигания до верхней мертвой точки. Если зажигание недостаточно опережающее, поршень уже будет двигаться вниз, когда происходит большая часть сгорания. В этом случае мы теряем возможность расходовать эту порцию газа и снижаем производительность. Если зажигание слишком раннее, большая часть газа сгорит, пока поршень еще поднимается; работа, которую необходимо совершить, чтобы сжать этот газ, уменьшит произведенную чистую работу. Кроме того, результаты показывают, что максимальное значение BMEP находится в диапазоне от −21° до 41°, а максимальное значение BMEP для даты имеет момент зажигания при 31° до ВМТ.

Рисунок 5 показывает, что удельный расход топлива при торможении (BSFC) имеет тенденцию улучшаться с увеличением угла опережения зажигания до верхней мертвой точки. Следует отметить, что при увеличении BMEP обратно пропорционально увеличивается BSFC.

Рис. 5

Взаимосвязь между BSFC и опережением зажигания при 3400 об/мин и коэффициентом эквивалентности, равным единице

Изображение в натуральную величину

На рис. 6 показаны O ₂ и концентрация углеводородов в зависимости от угла опережения зажигания. Угол опережения зажигания вызывает более высокое пиковое давление в цилиндре. Это более высокое давление выталкивает больше топливно-воздушной смеси в щели (в первую очередь пространство между днищем поршня и стенками цилиндра), где пламя гасится, а смесь остается несгоревшей. Кроме того, температура в конце цикла, когда смесь выходит из этих щелей, ниже при более раннем зажигании. Более поздняя температура означает, что углеводороды и кислород не реагируют. Это увеличивает концентрацию кислорода в выхлопных газах и несгоревших углеводородов.

Рис. 6

Зависимость между O ₂ и концентрацией углеводородов в зависимости от момента зажигания при 3400 об/мин и давлении во впускном коллекторе 100 кПа

Изображение в натуральную величину

Рис. 55 2 , Концентрация CO и HC в зависимости от момента зажигания, давления во впускном коллекторе 100 кПа и коэффициента эквивалентности, равного единице

Увеличенное изображение

На приведенном выше рисунке концентрации оксида углерода, кислорода и углекислого газа очень мало изменяются с изменением угла опережения зажигания в исследуемом диапазоне (рис. 7). ).

Здесь отношение эквивалентности поддерживалось постоянным и равным единице, так что кислорода было достаточно для превращения большей части углерода в CO ₂ . Концентрация CO увеличилась, а концентрация CO ₂ уменьшилась, когда не хватает кислорода. Некоторое количество угарного газа действительно появляется в выхлопных газах из-за замороженной равновесной концентрации CO, O ₂ и CO ₂ .

Рис. 8

Зависимость концентрации NO от момента зажигания. Частота вращения двигателя при 3400 об/мин и давлении во впускном коллекторе 100 кПа

Изображение полного размера

На рисунке показана зависимость концентрации NO в отработавших газах от момента зажигания. Образование NO зависит от температуры. С увеличением угла опережения зажигания пиковое давление в цилиндре увеличивается. Закон идеального газа гласит, что увеличение пикового давления должно соответствовать увеличению пиковой температуры, а более высокая температура приводит к увеличению концентрации NO (рис. 8).

Рис. 9

Зависимость мощности и крутящего момента от угла опережения зажигания

Изображение полного размера

Результаты показывают, что мощность имеет тенденцию к увеличению с опережением зажигания между 17 и 35°CA до ВМТ. Ожидается, что мощность должна увеличиваться с продвижением искры до точки, а затем падать. Наилучшие характеристики достигаются, когда большая часть сгорания происходит вблизи верхней мертвой точки. Если искра недостаточно развита, поршень уже будет двигаться вниз, когда происходит большая часть сгорания. В этом случае мы теряем возможность расширять эту порцию газа на весь диапазон, снижая производительность. Если зажигание слишком раннее, слишком много газа сгорит, пока поршень все еще поднимается. В результате работа, которую необходимо совершить для сжатия этого газа, уменьшит произведенную чистую работу. Эти конкурирующие эффекты приводят к тому, что максимальная мощность зависит от опережения зажигания.

Также показывает, что крутящий момент увеличивается с увеличением опережения зажигания. Это связано с увеличением давления в такте сжатия и, следовательно, с увеличением полезной работы. Необходимо отметить, что при дальнейшем увеличении опережения зажигания крутящий момент не будет увеличиваться в основном из-за пикового давления в цилиндре в период сжатия и снижения давления в такте расширения. По этой причине определение оптимального угла опережения зажигания является одной из наиболее важных характеристик для двигателя SI (рис. 9).).

На рисунке 10 представлены прогнозируемые результаты теплового КПД в сравнении с экспериментальными данными. Тепловой КПД — это работа, деленная на потребляемую энергию. Видно, что чистая работа увеличивается с увеличением опережения зажигания до точки, а затем несколько уменьшается. Это происходит из-за увеличения трения при высоких значениях опережения зажигания и, следовательно, уменьшения полезной работы. Согласно рис. 6, наибольшее количество сети происходит при 31° СА до ВМТ.

Рис. 10

Зависимость КПД от момента зажигания

Изображение в натуральную величину

5 Заключение

Целью данной статьи было изучение влияния угла опережения зажигания в двигателе с искровым зажиганием, использующего различные начальные моменты времени и обороты двигателя, на характеристики двигателя экспериментально. Общие результаты показывают, что угол опережения зажигания можно использовать как альтернативный способ прогнозирования работы двигателей внутреннего сгорания. В этой работе наилучшие результаты были получены при 31°ВМТ для 3400 об/мин. Также было обнаружено, что частота вращения двигателя и положение дроссельной заслонки значительно влияют на характеристики этого двигателя. Объемный КПД, BMEP увеличивались с увеличением угла опережения зажигания. HC с увеличением опережения зажигания, O ₂ , CO ₂ , содержание CO было почти постоянным, а наименьшее количество NOx было получено при 10°БМТ. Для будущей работы рекомендуется управлять синхронизацией зажигания и фаз газораспределения вместе и изменять положение дроссельной заслонки на разных скоростях.

Ссылки

1. Голку М., Секмен Ю., Салман М.С. (2005) Моделирование на основе искусственных нейронных сетей изменения фаз газораспределения в двигателе с искровым зажиганием. Applied Energy 81:187–197

   Статья Google Scholar

2. Чан С.Х., Чжу Дж. (2001) Моделирование. Int J Therm Sci 40(1):94–103

   Статья MathSciNet Google Scholar

3. Soylu S, Van Gerpen J (2004) Разработка основанных на опыте подмоделей скорости горения для двигателя, работающего на природном газе. Energy Convers Manage 45 (№ 4): 467–481. doi:10.1016/S0196-8904(03)00164-X

   Статья Google Scholar

4. Чан С.Х., Чжу Дж. (2001) Моделирование термодинамики цилиндров двигателя при высоких значениях задержки зажигания. Int J Therm Sci 40 (1): 94–103

   Артикул MathSciNet Google Scholar

5. Soylu S, Van Gerpen J (2004) Разработка основанных на опыте подмоделей скорости горения для двигателя, работающего на природном газе. Energy Convers Manage 45(4):467–481

   Статья Google Scholar

6. Фергюсон К.Р., Крикпатрик А.Т. (2001) Двигатели внутреннего сгорания — Прикладные тепловые науки. Уайли, Нью-Йорк

   Google Scholar

7. Choia GH, Chungb YJ, Hanc SB (2005) Рабочие характеристики и характеристики выбросов двигателя внутреннего сгорания на сжиженном нефтяном газе, обогащенном водородом, при 1400 об/мин. Int J Hydrogen Energy 30:77–82

   Статья Google Scholar

8. Тетер В.Д. (2007 г.) Профессор приборостроения и управления, Департамент гражданского строительства, Инженерный колледж, Университет штата Делавэр. Раздел 16

9. Публикация UKAS M 3003 (1997) Выражение неопределенности и уверенности в измерении. Выпуск 1, декабрь. измерения, 2-е издание, University Science Books

10. «>

    Bevington PR, Robinson DK (1992) Сокращение данных и анализ ошибок для физических наук, 2-е издание, WCB/McGraw-Hill

Ссылки для скачивания

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Автомобильный факультет Иранского университета науки и технологий, Тегеран, Иран

   Дж. Зари и А. Х. Какаи

Авторы

1. Дж. Zareei

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. A. H. Kakaee

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за корреспонденцию

Дж. Зари.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает любое использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора(ов) оригинала и источника.

Перепечатки и разрешения

Об этой статье

Оценка характеристик двигателя внутреннего сгорания

Характеристики двигателя внутреннего сгорания могут сильно отличаться от значений, указанных в его каталоге. Поэтому рекомендуется запрашивать у поставщика более подробную информацию о конкретных объектах, чтобы иметь лучшее представление об ожидаемой производительности оборудования.

Сравнение производительности и эффективности различных машин кажется простой задачей. В конце концов, что может быть сложного в том, чтобы подсчитать разные числа и сказать, какое из них больше? Что ж, не все так просто, когда дело доходит до оценки двигателей.

Эффективность оборудования для производства электроэнергии зависит от множества факторов, многие из которых зависят от места и области применения. Чтобы усложнить ситуацию, поставщики оборудования часто определяют свои значения эффективности для различных эталонных условий, которые трудно интерпретировать кому-либо, кроме специалистов.

Как возникают различия

Существует множество факторов, влияющих на фактическую производительность оборудования для производства электроэнергии. Наиболее очевидными из них являются условия окружающей среды и качество топлива. Это означает, что фактическая производительность оборудования, установленного на месте и эксплуатируемого в коммерческих целях, будет сильно отличаться от каталожных значений. Эти отклонения, естественно, будут иметь разные характеристики, даже для очень похожего оборудования, в зависимости от конструкции. Это означает, что, скажем, даже если машина А более эффективна, чем машина Б в номинальных условиях, это не обязательно будет так в реальных условиях на месте.

Чтобы усложнить ситуацию, номинальные значения также часто выражаются для различных наборов условий или с различными предположениями, которые могут быть указаны или не указаны явно. Это делает реалистичное сравнение производительности сайта для разных движков сложным и трудоемким.

На определенном этапе неизбежно потребуется получение от поставщика оборудования более полного набора данных, выходящего далеко за рамки одной таблицы, приведенной в каталожном листе. Тем не менее, понимание некоторых общих принципов может облегчить раннюю оценку возможностей оборудования даже при наличии информации из каталога. Здесь мы более подробно рассмотрим эти принципы и их применимость к двигателям внутреннего сгорания.

Окружающие условия

Двигатели внутреннего сгорания относятся к технологиям, наиболее устойчивым к изменениям окружающей среды. Тем не менее, при очень высоких температурах показатели производительности ухудшаются. Как правило, можно предположить, что рабочие параметры будут идентичны или очень близки к номинальным значениям до 30-35°C. Более того, производительность может незначительно ухудшиться как с точки зрения эффективности, так и производительности. Влажность также влияет на производительность. Чем выше относительная влажность, тем ниже температура, при которой работа двигателя начнет ухудшаться. Двигатели также могут быть чувствительны к снижению давления воздуха, связанному с большой высотой.

Обычно каталожные параметры двигателей указаны для условий ISO 3046: температура окружающей среды 25°C, относительная влажность 30% и давление окружающей среды 100 кПа. Это означает, что они репрезентативны для операций в умеренном и прохладном климате, за возможным исключением самых жарких или самых холодных дней. Однако для более экстремальных климатических условий, особенно для очень жарких и влажных случаев, всегда необходимо учитывать снижение номинальных характеристик и снижение эффективности.

Рис. 1. Давление и температура окружающего воздуха могут влиять на мощность двигателя. Обратите внимание, что в случае более высоких температур ухудшение характеристик начинается уже при более низких высотах над уровнем моря. Это показывает, насколько важно использовать полную информацию о состоянии участка. (Щелкните изображение для полного просмотра.)

Нагрузка

Очевидно, что КПД двигателя зависит от его нагрузки. Это особенно важно для установок, которые не должны работать с полной нагрузкой в ​​течение значительного периода времени. К счастью, в случае более крупных электростанций электростанции с двигателями внутреннего сгорания позволяют достичь частичной нагрузки за счет отключения отдельных генераторных установок, в то время как другие поддерживаются как можно ближе к полной нагрузке. Тем не менее, иногда будет необходимо эксплуатировать двигатели на частичных нагрузках из-за других соображений (например, поддержание резерва вращения), и КПД неизбежно снизится. Однако можно отметить, что кривая КПД двигателя обычно намного более пологая, чем у другого оборудования.

Рис. 2. Одной из выдающихся особенностей технологии двигателей внутреннего сгорания является плоская кривая КПД нагрузки. На этой диаграмме показаны такие кривые для десятидвигательной установки, работающей двумя разными способами. Оранжевая кривая представляет собой управление нагрузкой путем отключения отдельных двигателей при сохранении нагрузки остальных почти на номинальной. Черная кривая представляет ситуацию, когда все двигатели разгружаются вместе, как в случае с установками, которым необходимо поддерживать вращательный резерв. (Нажмите на изображение для полного просмотра.)

Коэффициент мощности

Генератор переменного тока вырабатывает не только активную мощность, но и определенное количество реактивной мощности. Обычно это описывается значением, называемым коэффициентом мощности (или pf). п.ф. представляет собой отношение между активной мощностью и полной мощностью. Наибольшее значение п.ф. равно 1,0 и соответствует чисто резистивной нагрузке. Это также значение, когда генератор и, следовательно, генераторная установка достигают максимальной эффективности. Во многих случаях коэффициент мощности, равный 1,0, используется в качестве точки для определения номинальных параметров, публикуемых в технических паспортах оборудования. С другой стороны, в некоторых других каталожных данных производительность определяется относительно низким значением 0,8, что является типичным конструктивным параметром генератора.

К сожалению, в реальной жизни коэффициент мощности никогда не соответствует этим идеализированным значениям. В большинстве приложений он находится где-то между 0,90 и 0,95. Это означает, что если номинальный КПД генераторной установки определен при p.f. = 1,0 фактическое значение всегда будет ниже. И, если номинальная стоимость определена при п.ф. = 0,8, то в реальных ситуациях она будет выше, чем указано на каталожных листах. Здесь очевидно, что если значения для двух разных машин определены для двух разных коэффициентов мощности, они не будут сопоставимы.

Оптимизация выбросов

Как и любая другая технология сжигания топлива, двигатели внутреннего сгорания производят определенное количество загрязняющих веществ. С точки зрения производительности наиболее важной группой загрязняющих веществ являются оксиды азота или NOx.

Образование NOx является неизбежным побочным продуктом процесса сгорания, поэтому его нельзя полностью исключить. Однако есть способы его уменьшить. Фактически, самые последние экологические нормы требуют от нас принятия таких мер. Есть два способа сделать это: первичный и вторичный методы. Первичные методы направлены на предотвращение образования загрязняющих веществ, а вторичные включают очистку выхлопных газов.

Современные двигатели внутреннего сгорания могут использовать как первичные, так и вторичные меры по снижению выбросов NOx. Вторичные методы не влияют на производительность генераторной установки. Первичные имеют, так как оптимизация процесса сгорания для снижения выбросов влечет за собой определенное снижение эффективности.

Обычно каталожные данные для генераторной установки приводятся для оборудования, оптимизированного для достижения максимальной эффективности и, следовательно, относительно высокого уровня выбросов NOx. Газовые двигатели, как правило, рассчитаны на достижение целевого уровня NOx в 500 мг/м³N, определенного при эталонном содержании кислорода 5%, также иногда описываемом как уровень «TA-Luft» по названию немецкого стандарта выбросов 2002 года. К сожалению, этот стандарт уже устарел, и во многих юрисдикциях необходим более строгий контроль выбросов.

Большинство конструкций газовых двигателей могут быть оптимизированы для соответствия более строгим уровням выбросов с помощью первичных методов, обычно вплоть до «½ TA-Luft» или даже ниже, до 200 мг/м³ при 5% O2 (75 мг/м³N при выражении для 15 % уровня кислорода). Это соответствует действующей Директиве ЕС по промышленным выбросам. Такая оптимизация выбросов обычно приводит к снижению эффективности примерно на 1,0–1,5 процентного пункта. Конечно, также можно использовать двигатель с более высоким КПД и СКВ-очистку дымовых газов. Или определенное сочетание обеих мер. Оптимальное решение выбирается на основе технико-экономического анализа конкретного проекта, в котором увеличение стоимости производства, вызванное оптимизацией двигателя, сопоставляется с инвестиционными и эксплуатационными затратами на систему SCR.

Рис. 3 — Снижение мощности газового двигателя из-за более низкой теплотворной способности топливного газа. Следует отметить, что в некоторой степени падение НТГ может быть компенсировано более высоким давлением подачи газа. (Щелкните изображение, чтобы просмотреть его полностью.)

Износ

Как и любое другое оборудование, двигатели внутреннего сгорания подвержены износу, а их характеристики во время эксплуатации ухудшаются. К счастью, это ухудшение в большинстве случаев полностью обратимо при капитальном ремонте, когда двигатели доводятся до номинальных параметров. Здесь важно отметить, что в большинстве конструкций ухудшение влияет только на эффективность, в то время как мощность остается на номинальном уровне. Тем не менее, помните, что средний КПД моторной установки будет несколько ниже номинальных значений, указанных для реальных условий на площадке. Величина этого ухудшения зависит от конструкции двигателя и программы его технического обслуживания.

Свойства топлива

Как правило, двигатели внутреннего сгорания могут работать с топливом самых разных качеств и свойств. Тем не менее, есть ограничения. Некоторые из них являются абсолютными, и в этом случае невозможно или безопасно эксплуатировать двигатель ниже или выше определенного значения. Другие являются условными, что означает, что их превышение разрешено, но может привести к некоторому снижению номинальных характеристик или снижению эффективности двигателя. Типичные случаи включают теплотворную способность или метановое число. Превышение минимума для них приведет к определенному снижению производительности или эффективности.

Поэтому крайне важно проверить, соответствует ли рассматриваемое топливо стандартным спецификациям. В противном случае запросите у поставщика данные о производительности, действительные для конкретного типа топлива.

Допуск

Это самый сложный вопрос, с которым даже многие инженеры могут быть незнакомы. Часто в спецификациях или каталогах среди условий, для которых указываются данные, можно встретить такие утверждения, как «допуск по ISO», «допуск по ISO 3046» или «допуск 5%». Это напрямую связано со стандартом ISO 3046 «Поршневые двигатели внутреннего сгорания — характеристики». Этот стандарт предусматривает, что «если не указано иное, для заявленного удельного расхода топлива при заявленной мощности допускается более высокий расход [топлива] +5%.

Это означает, что если какое-либо значение расхода топлива указано «с допуском ISO 3046», двигатель может фактически иметь расход топлива на 5 % выше, и при этом технически соответствовать указанному значению. Кроме того, любая эффективность, заявленная с «допуском ISO», может быть на 5% (примечание: не в процентных пунктах, а в процентах) ниже. Например, генераторная установка с заявленным КПД 48,0 % «с допуском ISO» может фактически достигать только 48,0/1,05 = 45,7 %. На самом деле, более чем вероятно, что он достигнет только такого значения. Исторически этот допуск действительно предусматривался для учета различий между отдельными двигателями, покидающими производственную линию. Однако с современными методами производства эти различия по большей части остались в прошлом. Теперь концепция толерантности, к сожалению, используется для предоставления преувеличенных значений эффективности во многих публикациях. К сожалению, это тоже подводный камень для тех, кто не знаком с особенностями моторного дела. Это также создает угрозу сравнения яблок с апельсинами, когда в одном техпаспорте указан допуск 5%, а в другом нет. Таким образом, всякий раз, когда значение допуска не указано явно, рекомендуется попросить поставщика предоставить явное заявление о допусках как разницу в 5% (то есть примерно 2,0–2,5 процентных пункта, в зависимости от конструкции) далеко не ничтожен.

Рис. 4 — Некоторые более крупные конструкции двигателей, такие как этот Wärtsilä 50SG или другие конструкции Wärtsilä, оснащены масляным и водяным насосами, приводимыми непосредственно от вала двигателя. В некоторых других конструкциях, где насосы питаются от электричества, это приводит к увеличению внутреннего расхода топлива установки.

Полезная мощность и оборудование с приводом от двигателя

В случае технологии двигателей собственное потребление электроэнергии не очень велико. Однако значительные различия могут быть вызваны различными конструкциями. В основном это из-за насосов. Каждому двигателю для работы требуется несколько насосов: обычно это насосы смазочного масла, насосы охлаждающей воды и, если топливо жидкое, топливные насосы. Разница заключается в том, что в некоторых конструкциях двигателей, как правило, в более крупных среднеоборотных двигателях, насосы приводятся в действие механически от вала двигателя. Это означает, что об их потреблении энергии «заботятся» еще до того, как будет выработано электричество. Но для некоторых других двигателей, особенно небольших высокоскоростных конструкций, использующих электрические насосы, это увеличит собственное потребление установки.

Собственное потребление также может зависеть от окружающих условий. Это связано с тем, что на большинстве силовых установок отработанное тепло выбрасывается через радиаторы, приводимые в действие электрическими вентиляторами. У тех вентиляторов, которые обычно являются крупнейшими потребителями электроэнергии на такой установке, скорость вращения регулируется, чтобы обеспечить надлежащее охлаждение охлаждающей воды. Чем горячее окружающий воздух, тем выше требуемый расход воздуха, что также увеличивает потребление электроэнергии. Поскольку фактическое потребление зависит от конкретных условий и конфигурации установки, этот параметр обычно не указывается в каталогах. Поэтому рекомендуется запрашивать ориентировочную стоимость у продавцов.

Заключение

Суть в том, что «номинальные» параметры, взятые прямо из каталога, почти никогда не представляют собой значения, достижимые в реальных условиях объекта, даже если все оборудование новое.

Хотя в некоторых случаях (умеренный климат, работа с полной нагрузкой, отсутствие необходимости оптимизации выбросов в процессе горения) относительно легко преобразовать каталожные параметры в значения, достижимые в условиях объекта, без дополнительных знаний. В других приложениях это невозможно без запроса дополнительной информации у поставщиков.

Это означает, что более высокая эффективность по каталогу для определенного типа двигателя не обязательно означает, что эффективность конструкции на площадке будет выше, чем у его конкурентов, даже если параметры по каталогу выражены для идентичных условий.