Примерный расчет теплового баланса

Если принять всю теплоту, выделившуюся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя за 100%, то в процентном отношении составляющие теплового баланса будут выглядеть следующим образом:

Q_e = 30-45% - тепло, превращённое в эффективную работу;

Q_вг = 25-40% - тепло, унесённое выхлопными газами;

Q_ов = 20-30% - тепло, унесённое охлаждающей водой;

Q_х = 1- 8% - потери теплоты от неполноты сгорания топлива;

Q_m = 5-10% - теплота, потерянная на преодоление трения.

При снижении нагрузки двигателя уменьшается Q_e и возрастают остальные члены теплового баланса.

На потерю тепла с выхлопными газами оказывают качество распыла, качество перемешивания топлива с воздухом и очистка цилиндров от продуктов сгорания. Причинами плохого распыла могут быть неисправность в работе ТНВД, форсунок от излишней вязкости топлива при недостаточном его подогреве. Ухудшение перемешивания топлива с воздухом и очистки цилиндров от остаточных газов может быть вызвано отложениями на продувочных и выхлопных окнах. В случае неблагоприятного сочетания перечисленных причин, из-за затруднений в подводе кислорода к молекулам горючих веществ, процесс сгорания замедляется, а температура газов и потери тепла увеличиваются. Потери от лучеиспускания уменьшают за счёт лучшей изоляции двигателя.

Однако, при наддуве уменьшается доля тепла уходящего с охлаждающей жидкостью и увеличивается доля тепла уносимого выхлопными газами. При повышении числа оборотов двигателя наблюдается та же картина. При наличии газотурбинного наддува, это хорошо - увеличивается мощность турбины. Повышение степени сжатия и увеличение размеров цилиндра даёт тот же эффект.

Для повышения общего КПД дизельной установки, пытаются получить работу в дополнительных агрегатах путём утилизации. Улучшение теплового баланса достигается за счёт теплоты уходящих газов в утилизационных котлах, а также использования теплоты, уносимой охлаждающей водой для отопления помещений, подогрева топлива, балласта и других целей.

Мощность и экономичность двигателей.

Работа, совершаемая в единицу времени называется мощностью. Мощность двигателя может быть индикаторной (Ni) и эффективной (Ne).

ИНДИКАТОРНАЯ МОЩНОСТЬ.

Работа, совершаемая газами внутри всех цилиндров за единицу времени называется индикаторной мощностью. (По имени инженера Индикатора, который сконструировал прибор для снятия индикаторных диаграмм).

Для определения индикаторной мощности надо иметь: индикаторную диаграмму (или среднее индикаторное давление p_i), частоту вращения вала двигателя (n), диаметр цилиндра (D), ход поршня (S), число цилиндров (z) и тактность (k).

Среднее индикаторное давление.

Из термодинамики известно, что работа цикла пропорциональна площади, заключённой внутри его диаграммы. Значит, по площади диаграммы можно определить работу цикла, а по ней - мощность двигателя.

За полный рабочий цикл давление газов в цилиндре меняется от max до min, поэтому берут среднюю величину постоянного давления за цикл, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает ту же работу, что и фактическое переменное давление за весь рабочий цикл. Такую величину называют средним индикаторным давлением (p_i).

Поскольку p_i постоянное и действует на донышко поршня с площадью F, то работа за один ход поршня S составляет p_iFS. Согласно формулировке должно существовать равенство p_iFS = Lц

Графически p_i можно найти двумя способами:

1. при наличии планиметра, находится полезная площадь цикла, делится на длину диаграммы и получается p_i. На основании этих действий строится прямоугольник с основанием Vs и высотой p_i, равновеликий по площади индикаторной диаграмме;

2. всю длину абциссы диаграммы делят на несколько равных частей; затем, из диаграммы, измерив отрезки ординат (y₁, y₂,...y_n) определяют среднее индикаторное давление по формулам:

y_i+y₂+...+y_n

p_i = ————— , или

n∙m

p_i = (p₁+p₂+...+p_n)/10∙M , или

p_i = F/(l∙M) , где

p₁, p₂, p_n - величины давлений по индикаторной диаграмме;

M - масштаб диаграммы;

m - масштаб ординат.

F - площадь диаграммы;

l - длинна диаграммы.

Если произвести расчёт работы, совершаемой в каждом процессе цикла, а затем алгебраически сложить их, то получим:

Pc λ∙ρ 1 1 1

p_i′ = —— [λ(ρ -1) + ——∙(1- ——)- ——∙(1- ——)]

ε -1 n₂ –1 δⁿ_²^-1 n¹-1 εⁿ_²^-1

Величина действительного значения p_i будет несколько меньше из-за скругления индикаторной диаграммы.

p_i = φ ∙ p_i′

где φ - коэффициент полноты диаграммы.

Для 4-х тактных дизелей φ = 0.92-0.97

Для 2-х тактных дизелей φ = 1, т.к. отклонения действительного процесса от расчётного компенсируется положительной площадью b-m-a, неучтённой при расчётах (см. теоретический цикл, диаграмму 2-х тактного дизеля).

Среднее индикаторное давление зависит от ряда факторов, однако, основными из них являются количество и качество горючей смеси, подготовленного в цилиндре к началу горения. Отсюда следует, что увеличивая заряд рабочей смеси можно получить более высокое p_i, а следовательно и мощность двигателя. Практически это осуществляется путём применения наддува воздуха в дизелях и рабочей смеси в карбюраторных ДВС. У современных дизелей p_i составляет:

для двигателей без наддува p_i=5,5-7,5 кГс/см²

для двигателей с наддувом p_i=8.5-12,5 кГс/см²

Зная p_i, находят работу (A) за один рабочий цикл в одном цилиндре:

π ∙D²

A = p_{i ———} S

4

Работа в цилиндре за единицу времени (1 минута):

π ∙D²

A = p_{i ———} S∙n∙k ,

4

где, k - коэффициент тактности, при этом для 2-х тактных ДВС k=1,

для 4-х тактных ДВС k=1/2.

Разделив всё на 60 секунд, получим формулу индикаторной мощности:

p_i ∙F∙S∙n∙k∙z

Ni = ————— [л.с.], где

60∙75

1/75 - перевод мощности в лошадиные силы (1 л.с.=75 кгм/сек=0,736 кВт).

Наиболее удобная формула для определения индикаторной мощности:

Ni = 52,3D2 ∙ pi ∙ Cm ∙ i [и.л.с.]

Если мощность необходимо получить в кВт, в эту формулу значение p_i подставляют в килопаскалях [КПа].

где, D - диаметр цилиндра [м];

p_i - среднее индикаторное давление [кГ/см²];

C_m - средняя скорость поршня C_m=S∙n/30 [м/с];

i - число рабочих ходов за один оборот к.в. во всех цилиндрах двигателя, i=k∙z

где, k - коэффициент тактности;

z - число цилиндров двигателя.

Значение мощности ещё не характеризует тепловую и механическую напряжённость двигателя. Мощность можно увеличить за счёт размеров и числа цилиндров, но не беспредельно.

ЭФФЕКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ.

Мощность, полученная в цилиндрах двигателя, передаётся на коленчатый вал через КШМ. Передача энергии сопровождается механическими потерями, которые складываются из потерь на трение поршней о стенки цилиндров, в подшипниках коленчатого вала, механизме газораспределения, а также в механизмах, навешанных на двигатель и на "насосные" потери (в 4-х тактных ДВС).

Мощность полезная, развиваемая двигателем на фланце коленчатого вала, отдаваемая потребителю, называется эффективной мощностью (Ne), которая будет меньше индикаторной на величину механических потерь, затрачиваемых на трение и приведение в действие навесных механизмов. Тогда,

Ne = Ni - N_m

где, N_m - мощность механических потерь.

СРЕДНЕЕ ЭФФЕКТИВНОЕ ДАВЛЕНИЕ.

При определении эффективной мощности вводят понятие среднего эффективного давления (p_e), которое выражается как:

p_e = p_i ∙ η_m

Мы знаем, что такое p_i ; аналогично вышесказанному можно придти к заключению, что среднее эффективное давление меньше среднего индикаторного на величину среднего давления механических потерь, т.е.

p_e = p_i - p_m

Тогда, подставляя в формулу индикаторной мощности вместо p_i значение p_e , получим N_е = 52,3D² ∙ p_е ∙ C_m ∙ i [э.л.с.]

Используя формулу находят диаметр цилиндра D =√(Ne/52,3∙Pe∙C_m∙z)

Крутящий момент - взаимосвязан с эффективной мощностью и характеризует нагрузку двигателя Me =716,2 Ne/n [кГ∙м]

Эффективная мощность зависит от ряда параметров:

p_е∙F∙S∙n∙k∙z

Nе = ————— [э.л.с.],

60∙75

На основании этой зависимости строят графики, показывающие взаимосвязь мощности и параметров, определяющих её. Такие графики называются характеристиками двигателя. Различают скоростные, нагрузочные и винтовые характеристики.

ЧАСОВОЙ И УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ТОПЛИВА.

Часовой расход топлива - измеряется в [кг/час] и применяется при нормировании топлива и отчётности (Gч).

Удельным называют часовой расход топлива, отнесённый к единице эффективной мощности. Gч

g_e = —— [г/л.с.∙час]

Ne

Связь между удельным расходом топлива и эффективным КПД устанавливается по формуле 632

g_e = —— [г/л.с.∙час]

η_e∙Q_р^н

Сравним значения удельного расхода топлива:

малооборотные ДВС g_e = 0,141-0.165 [кг/элс∙ч]

среднеоборотные ДВС g_e = 0,150-0.165 [кг/элс∙ч]

высокооборотные ДВС g_e = 0,165-0.180 [кг/элс∙ч]

ПУТИ И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ДВС.

Увеличение мощности ДВС можно выполнить следующими способами:

1. увеличением размеров цилиндров (диаметра - D, хода поршня - S) или количества цилиндров (z), при этом происходит увеличение габаритных размеров двигателя;

2. повышением частоты вращения (числа оборотов - n), при этом снижается срок службы деталей т.к. растут скорости и силы инерции;

3. переходом от 4-х тактных ДВС к 2-х тактным;

4. наддувом двигателя, т.е. подачей в цилиндры воздуха под давлением, что позволяет сжечь больше топлива. Однако, механический наддув позволяет увеличить мощность при ухудшении экономических показателей, а газотурбинный - увеличить мощность при сокращении, или даже при некотором улучшении экономических показателей, например, если

↑η_e = ↓η_i ∙↑η_m , но

η_i = η_t ∙η_е , а η_t = 1-(1/ε^k) , тогда при η_m = f(n) ,

↑η_m = Ne/Ni =(Ni-N_m)Ni = 1-(N_m/↑Ni)

Газотурбинный наддув 4-х тактных ДВС был осуществлён легко т.к. заполнение цилиндра и его очистка производится во время "насосных" ходов, а всасывающий и выхлопной тракты почти не сообщаются. Давление наддувочного воздуха может быть и больше и меньше давления выхлопа.

В 2-х тактных ДВС давление наддувочного воздуха должно быть больше давления в конце свободного выхлопа. Для этого должна быть достигнута мощность газов турбины, чтобы обеспечить давление наддува. Свободный выхлоп начинают раньше при большем давлении газов и уменьшают УОПТ. В результате этого, из-за догорания на линии расширения, температура газов и их кинетическая энергия будет больше. Кроме того, в наддутой машине уменьшается степень сжатия (E). Делается это для того, чтобы уменьшить Pc и Pz, и не допустить роста механических нагрузок.

Всё сказанное приводит к резкому ухудшению индикаторных показателей:

у ДВС с наддувом g_i=125-138 г/лс∙ч;

у ДВС без наддува g_i=118-120 г/лс∙ч.

Сохранение или даже улучшение эффективных показателей достигается за счёт резкого роста механического КПД. Он увеличивается потому, что механические потери при неизменных оборотах не растут т.к. N_m=f(n) ≈ const.

ТЕРМИЧЕСКИЙ, ИНДИКАТОРНЫЙ, ЭФФЕКТИВНЫЙ, МЕХАНИЧЕСКИЙ КПД.

Определение термического КПД было дано ранее. Несколько дополним его.

Термическим КПД называется отношение тепла, превращенного в полезную работу, ко всему подведенному теплу.

Q₂

η_t = 1 - ————

Q₁'+Q₁"

Термический КПД характеризует степень использования тепла в любой конструкции теплового двигателя, а следовательно, учитывает только тепловую потерю при отводе к холодильнику. Тогда формулу термического КПД можно написать в удобном для расчётов виде:

1 λ ∙ ρ^k‾¹

η_t = 1- —— . —————

ε^k‾¹ λ-1+k∙λ(ρ-1)

Термический КПД возрастает при увеличении степени сжатия, при увеличении показателя адиабаты k и при увеличении давления (степени повышения давления λ ).

Термический КПД снижается при увеличении степени предварительного расширения ρ .

Индикаторным КПД называется отношение количества теплоты, перешедшей в индикаторную работу (Q_i), ко всему количеству теплоты, затраченной на получение этой работы (Q_затр). η _i = Q_i/Q_затр (η_i=0,42-0,53).

632∙Ni 632

η_i = ——— = ——— , где

Gч∙Q_р^н g_i ∙ Q_р^н

632 - термический эквивалент 1 л.с..час [ккал]

Gч - часовой расход топлива;

Q_р^н – рабочая низшая теплотворная способность топлива.

Этот КПД характеризует тепловые потери с отработавшими газами, с охлаждающей водой, а также потери от неполноты сгорания топлива. Он учитывает всю сумму потерь тепла при осуществлении цикла. Это кроме тепла, уходящего с выхлопными газами, потери, обусловленные наличием теплообмена, неполным сгоранием топлива, недостаточно высокой скоростью сгорания топлива. Увеличение доли тепла, уходящего в стенки цилиндра и с выпускными газами, увеличение неполноты сгорания отрицательно сказывается на индикаторном КПД. С увеличением коэффициента избытка воздуха α индикаторный КПД как правило растёт.

В дизелях η_i ≈ 0.4-0.5

Эффективным КПД называется отношение количества теплоты, израсходованной на полезную работу двигателя (Qe), ко всему подведенному теплу (Q).

η_е=Q_e/Q

Он учитывает как тепловые, так и механические потери.

632 Ne 36∙10⁵

η_е = ———— , или η_е = ———

Q_р^н ∙ Gч Q_р^н_∙ g_e

Зависимость между КПД выразится η_е= η_i ∙ η_m

На диаграмме показаны графики изменения КПД в зависимости от нагрузки при n=const. (η)

η_m

η_i

η_e

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0 25 50 75 100 (Ne%)

Сравним дизеля с другими тепловыми машинами по эффективным значениям КПД: малооборотные ДВС η_е=0.42-0.39 газовые турбины η_е=0.42-0.31

среднеоборотные ДВС η_е=0.42-0.37 паровые машины η_е<0.20

многооборотные ДВС η_е=0.42-0.31 паровые турбины η_е>0.30

карбюраторные ДВС η_е=0.20-0.28

Следовательно, по удельной затрате тепла, дизель самый экономичный. (η_е=0,35-0,42). Однако, в установках с паровыми турбинами применяется более дешёвый мазут и чем больше мощности, тем меньше разность в затратах у дизелей и паровых турбин. А так как турбины имеют ещё ряд преимуществ по сравнению с дизелями, то их на больших мощностях используют чаще. Дизеля сохраняют свою конкурентоспособность в установках мощностью до 45000 л.с.

Механическим КПД называется отношение эффективной мощности к индикаторной, или мощность механических потерь.

η_m = Ne/Ni , или η_m = p_e/p_i

Механический КПД показывает ту часть индикаторной мощности, которую желательно бы превратить в полезную эффективную работу. Этот КПД учитывает:

• потери на трение движущихся частей, которые зависят от: материалов, качества изготовления конструкции, обработки и сборки деталей, скорости движения отдельных узлов, давлений в сопряжениях (более половины этих потерь уходит на сопряжение втулка–поршень), качества масла, и т.д.;

• «насосные» потери. В 4-х тактных ДВС к «насосным» потерям относятся затраты энергии на преодоление сопротивлений при очистке цилиндров от продуктов сгорания. Они зависят от моментов открытия впускных и выпускных клапанов (см. круговую диаграмму газораспределения). При позднем открытии впускного клапана давление всасывания будет ниже. При позднем открытии выпускного - давление выпуска будет выше. В обоих случаях увеличивается площадь отрицательной работы. Мощность, затрачиваемая на «насосные» хода, при наддуве может превратиться в полезную работу. (Один из путей повышения КПД.)

• потери затрат мощности приводов навешанных на двигатель механизмов, (характеризует рациональность конструкции);

Для уменьшения механических потерь необходимо содержать и обслуживать двигатель в хорошем техническом состоянии. Поддерживать все необходимые зазоры в рекомендуемых заводом-изготовителем инструкциях, правильно выбирать качество и сорт смазочных материалов. Соблюдать соответствующие температурные режимы, регулировку нагрузки по цилиндрам, температуру воды, масла, чистоту коллекторов, и т.д.

Значения механического КПД.

2-х тактные ДВС 4-х тактных ДВС

без наддува η_m= 0.75-0.85 без наддува η_m=0.75-0.85

с наддувом η_m=0.86-0.93 с наддувом η_m=0.85-0.95

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ДВС

ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА РАБОТУ ДИЗЕЛЯ.

При изменении нормальных атмосферных условий (температура t=20°C; барометрическое давление P_бар=760 мм.рт.ст.; относительная влажность φ =70%) происходит изменение массового заряда воздуха в цилиндре, а именно: массовый заряд уменьшается при повышении температуры воздуха, при снижении барометрического давления, при увеличении относительной влажности воздуха. При этом:

1. уменьшается среднее индикаторное давление p_i ;

2. уменьшается коэффициент избытка воздуха α ;

3. увеличивается температура выхлопных газов Tвг;

4. увеличивается теплонапряжённость деталей ЦПГ;

5. снижается мощность двигателя.

При повышении температуры воздуха, поступающего в цилиндры, уменьшается степень воздушного заряда, а следовательно и коэффициент избытка воздуха. Это приводит к ухудшению сгорания топлива и повышению его расхода. Уменьшается p_i, а значит и мощность двигателя. Из-за повышения температуры воздушного заряда повысится температура выхлопных газов, а значит увеличится средняя температура цикла и теплонапряжённость двигателя.

Во избежание тепловой перегрузки двигателя необходимо контролировать его работу по максимальному давлению сгорания (Pz) и по температурам отработавших газов, не допуская их увеличения выше номинальных значений.

Для улучшения параметров необходимо уменьшать подачу топлива за цикл. Это вызывает падение p_i и снижение оборотов гребного вала при работе на ВФШ и, как следствие, уменьшение скорости движения судна. В практике эксплуатации главных двигателей принято считать, что при увеличении температуры воздуха на 10°C необходимо либо снизить частоту вращения на 2%, либо уменьшить шаг винта на 3%.

При повышении влажности воздуха уменьшается содержание сухого воздуха в цилиндрах. При этом также изменится (α). В результате ухудшатся условия сгорания, а это также приведёт к уменьшению p_i и следовательно - мощности двигателя. Температура газов несколько возрастёт, что будет приводить к перегрузке ДВС.

Кроме того, влияния влажности способствует изменению мощности и возникновению коррозии в цилиндрах двигателя, особенно при работе на сернистых топливах. Поэтому необходимо следить, чтобы во впускном тракте не создавались условия выпадения росы. Точка росы для каждого дизеля с наддувом и воздухоохладителем указывается в его паспорте и формуляре.