Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление, – является одним из важнейших показателей в ДВС. Характеризует нагрузку, полноту и своевременность сгорания топлива, степень наддува, т.е. совершенство конструкции в целом. Часто используют Р_е для сравнения форсировки различных двигателей.

. (87)

Среднее эффективное давление у судовых ДВС:

2- тактные без наддува - 450÷650 КПа;

2- тактные с наддувом - 750÷1600;

4- тактные без надддува - 500÷600;

4- тактные с наддувом - 1200÷2500.

41 вопрос

42 вопрос Камеры сгорания ДВС

43 вопрос Наддув как способ повышения мощности ДВС.

Мощность двигателя определяется по формуле

N_e = V_s i n z P_e = V_s i n z _s η_н η_м. (90)

Диаметр цилиндра ДВС достиг 105 см, и дальнейшее его увеличение затруднено технологическими и прочностными проблемами. Число цилиндров достигло 12 у МОД, 18 – СОД, 56 – ВОД. Увеличение числа цилиндров вызывает увеличение трудоемкости обслуживания. Увеличение частоты вращения, хода поршня вызывает увеличение средней скорости поршня С_m. При С_m > (14÷15) м/с существенно возрастают потери на трение и уменьшается ресурс, поэтому в последние годы мощность двигателей росла, в первую очередь, за счет повышения плотности воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя. Повысить _s можно либо повышая давление воздуха, поступающего в цилиндры, либо понижая его температуру.

Наддувом называют способ повышения мощности двигателя, основанный на подаче в цилиндр воздуха под давлением выше атмосферного, при соответствующем увеличении цикловой подачи топлива.

Использование наддува дает возможность в несколько раз (до 45) увеличить мощность двигателей без изменения их основных размеров. Критерием относительного увеличения мощности двигателя при введении наддува служит степень наддува λ_н, представляющая отношение среднего эффективного давления, полученного после введения наддува Р_ен к среднему эффективному давлению до наддува Р_e,

_н = Р_ен /Р_е.

У современных четырехтактных дизелей степень наддува λ_н = 2÷4, P_s/P_e= 0,12 ÷ 0,15; двухтактных – λ_н = 1,5÷3, P_s/P_e= 0,19 ÷ 0,23.

Основными способами осуществления наддува являются механический, инерционный, газотурбинный и комбинированный.

Вопрос 44. Охлаждение наддувочного воздуха. Охлаждение наддувочного воздуха

Охлаждение наддувочного воздуха после его сжатия в компрессоре перед поступлением в цилиндры оказывает значительное влияние на эффективность наддува и улучшение показателей рабочего процесса:

- масса воздуха повышается примерно на 2÷3% при каждом снижении температуры воздуха на 10 ˚С;

- начальная температура рабочего процесса Т_а, снижается в связи с чем уменьшается и средняя температура за цикл;

- при продувке цилиндра охлажденным воздухом снижается температура нагретых деталей ЦПГ.

Зависимость эффективности промежуточного охлаждения наддувочного воздуха (по величине Р_е) от степени повышения давления в компрессоре _К при разной температуре охлаждающей воды показана на рис. 25. Так как в дизеле с наддувом давление в конце сжатия выше, чем в дизелях без наддува, то условия для самовоспламенения улучшаются и период задержки самовоспламенения короче. Это позволяет уменьшить степень сжатия без ухудшения процесса сгорания и за счет этого снизить механическую и температурную напряженность.

Температура воздуха после компрессора может быть определена по формуле

Т_к = Т₀ , (91)

m - зависит от типа компрессора , для ц/б m = 1,7÷1,8,

для поршневого m = 1,45÷1,6, для ротативного 1,65÷1,8.

Рис. 25. Зависимость среднего эффективного давления от степени повышения давления в компрессоре при различной температуре наддувочного воздуха: 1- 25 °С, 2- 50 °С, 3- нет охлаждения

Если известен адиабатный к.п.д. компрессора, температуру после компрессора удобнее определять по формуле

, (92)

где k = 1,41− показатель адиабаты для воздуха,

η_кад − адиабатный КПД компрессора.

Иногда применяется дополнительное внутреннее охлаждение заряда: за счет расширения в процессе наполнения цилиндра двигателя (4- тактного), при помощи дополнительного турбодетандерного охлаждения, за счет установки дополнительных холодильных машин.

В судовых охладителях поверхностного типа наименьшая температура наддувочного воздуха на выходе из охладителя зависит от температуры забортной воды и определяется из условия

Т_к = Т_зв. + (7 - 12).

При охлаждении влажного воздуха до температуры ниже точки росы происходит конденсация паров воды в охладителе. В двигателях с невозвратными пластинчатыми клапанами в ресивере ухудшается надежность клапанов и ЦПГ, поэтому температуру воздуха в ресивере рекомендуется поддерживать на 8 – 10 ˚ выше точки росы. Допустимая наименьшая температура наддува воздуха в ресивере определяется в зависимости от Р_s, температуры воздуха в машинном отделении Т₀ и относительной влажности воздуха φ₀.

Сравнительный анализ η_т термодинамических циклов комбинированных ДВС с промежуточным охлаждением рабочего тела и без промежуточного охлаждения показывает, что промежуточное охлаждение приводит к понижению η_т. Однако в реальном цикле применение промежуточного охлаждения наддува воздуха приводит к некоторому повышению эффективного к.п.д., так как температура цикла с промежуточным охлаждением ниже чем цикла без охлаждения, поэтому количество теплоты, отводимое через стенки цилиндра в охлажденную воду будет меньше. Это приводит к увеличению η_i.

При промежуточном охлаждении воздуха увеличивается его масса в составе заряда. При этом N_i увеличивается в большей степени, чем возрастает мощность механических потерь, поэтому η_м растет и, в большинстве случаев, увеличивается и эффективный к.п.д. η_е.

При дальнейшем повышении мощности судового дизеля за счет наддува, видимо, эффективным и перспективным будет способ охлаждения с помощью холодильных систем.

Дополнительное внутреннее охлаждение в процессе наполнения цилиндра осуществляется так. Воздух сжимается в большей степени чем нужно, охлаждается и подается в ресивер. Наполнение цилиндра заканчивается раньше прихода поршня в НМТ, так как впускные клапаны закрываются раньше обычного. Благодаря расширению в конце наполнения воздух охлаждается дополнительно. Сложность, так как двигатель должен иметь устройство для автоматического изменения фаз газораспределения при изменении нагрузки двигателя. Такое внутреннее охлаждение воздуха используется в двигателе «ФУДЗИ».

Турбодетандерное охлаждение используется в двигателях фирмы Купер- Бессемер, (рис. 26).

Рис. 26. Схема турбодетандерного охлаждения наддувочного воздуха:

ГТ- газовая турбин; ВТ- воздушная турбина; К₁, К₂ – компрессоры первой и второй ступени; ОНВ – охладитель наддувочного воздуха; КГ – коллектор газов; РВ – ресивер воздуха

Температура воздуха после детандера

, (93)

где Т_тд – температура воздуха перед турбиной детандера; Р_s – давление после детандера; Р_тд – давление перед турбиной детандера; η_тад – адиабатный к.п.д. турбины детандера.

В двигателях фирмы Купер - Бессемер в воздушной турбине (ВТ) температура воздуха понижается на 18÷20 ˚С, до Т_s = 288÷290 К, мощность увеличивается на 7÷9 %, экономичность > на 3÷4 % при сохранении неизменным максимального давления цикла Р_z и теплонапряженности двигателя.