Тепловой баланс дизелей

Не все тепло, выделившееся при сгорании топлива, используется полезно. Значительная часть тепла уносится с охлаждающей водой, маслом, выбрасывается с отработавшими газами, расходуется при ох­лаждении наддувочного воздуха и рассеивается в окружающую среду.

Распределение тепла по составляющим, расходуемым на полезную работу и на различные потери, называется тепловым балансом. Теп­ловой баланс может меняться в зависимости от нагрузки, темпера­туры воды и масла, температуры окружающего воздуха, частоты вра­щения вала дизеля и т.д. Так, например, при температуре охлаждаю­щей воды 50 °С отвод тепла в воду примерно в 1,4 раза больше, чем при температуре воды в системе 90 °С; соответственно тепло перераспределяется и по другим составляющим.

В табл. 3.1. приведены тепловые балансы различных тепловозных дизелей при температуре воды 70—80 °С.

Таблица 3.1

Распределение тепла	Дизели
	1 ОД 100	5-Д49
Тепло, внесенное в цилиндры дизеля с топливом: тыс. ккал/ч %	4950 100	4650 100
Полезно использованное тепло: тыс. ккал/ч %	1890 38	1906 41,5
Отвод тепла с водой: тыс. ккал/ч %	564 11,5	660 14
Отвод тепла с маслом: тыс. ккал/ч %	486 10	219 4,7
Отвод тепла от наддувочного воздуха: тыс. ккал/ч %	400 8	144 3
Унос тепла с отработавшими газами: тыс. ккал/ч %	1610 32,5	1721 37,3

136

Мощность и кпд дизеля

Предполагается, что в многоцилиндровых двигателях рабочие процес­сы в цилиндрах протекают примерно одинаково и только смещены по фа­зам на угол сдвига кривошипов коленчатого вала. Поэтому можно считать, что мощность, развиваемая в отдельных цилиндрах, тоже одинакова; тог­да мощность дизеля равна сумме мощностей всех цилиндров.

Различают индикаторную мощность L., получаемую в цилиндрах дизеля, и эффективную мощность N_e, реализуемую на коленчатом валу дизеля. В технической документации, которая составляется на каж­дый двигатель заводом-изготовителем, указывается номинальная мощ­ность дизеля N_eH.

Номинальная мощность — это эффективная мощность, развивае­мая двигателем при наибольшей частоте вращения коленчатого вала и при нормальных условиях. При повышении температуры и умень­шении давления воздуха мощность дизеля падает, а при понижении температуры и повышении давления мощность возрастает. С увели­чением влажности воздуха мощность дизеля снижается. Изменение внешних условий (температуры и давления воздуха) может вызвать изменение мощности дизеля примерно до 8—10 %. Поэтому мощность N_e и удельный расход топлива g_e полученные при данных атмосфер­ных условиях, пересчитывают на нормальные.

Индикаторная мощность дизеля. Зная площадь поршня

можно определить работу, выполненную в одном цилиндре за пол­ный рабочий цикл:

где/). — среднее индикаторное давление, кгс/см²; D — диаметр поршня, м; S — ход поршня, м. Работа в цилиндрах дизеля, выполненная за минуту:

L =p_jFSni,

137

где п — частота вращения, об/мин;

i — число цилиндров.

Известно, что мощность N_t=Lll5, так как 1 л.с. = 75 (кгс-м)/с. Под­ставив в это выражение значение L, получим

_{= Pl}nD²Sni ¹ 4-60-75т'

где т — тактность (т = 2 — для двухтактного и т = 4 для четырех­тактного дизеля). Индикаторная мощность, подсчитанная по этой формуле, будет в лошадиных силах. Среднее индикаторное давление p_t определяется по индикаторной диаграмме. Для этого строится рав­новеликий прямоугольник, длина и площадь которого соответствен­но равны длине и площади индикаторной диаграммы. Затем замеря­ют высоту этого прямоугольника hi и умножают ее на масштаб давле­ния а, т.е.

_Pi = h_ta.

Для получения индикаторной диаграммы применяют специальные приборы-индикаторы. В тихоходных двигателях (п не более 500 об/мин) используют механические индикаторы, а в быстроход­ных — электропневматические или электрические (см. далее). Пос­ледние два прибора дают развернутую индикаторную диаграмму — по углу поворота вала.

Среднее индикаторное давление в зависимости от конструкции машины и ее форсировки может меняться в широких пределах. В двух­тактном дизеле 10Д100 —/>. = 12кгс/см²; четырехтактных дизелях 2-5Д49 —p_t = 18,2 кгс/см².

Эффективная и индикаторная мощности связаны соотношением

где г)_м — механический КПД дизеля.

Механический КПД дизеля, определяемый как отношение эф­фективной мощности к индикаторной, характеризует величину меха­нических и гидравлических потерь в трущихся частях двигателя, а так­же затрату мощности на привод вспомогательных механизмов дизеля (топливные, водяные, масляные насосы, механизм газораспределения

138

и др.); он зависит от конструкции и качества сборки машины и при номинальной мощности принимает значения от 0,75 до 0,9.

Если двигатель приводит во вращение электрический генератор постоянного тока, то эффективную мощность можно подсчитать по показаниям электрических приборов, подключенных к клеммам гене­ратора:

Ц6Л/ ^е 1000т1_г '

где /и U— соответственно ток генератора, А, и его напряжение, В;

Л_г — КПД генератора (0,9—0,95);

1,36 — переводной коэффициент (1 кВт = 1,36 л.с). Эффективная мощность дизеля, установленного на тепловозах с электрической пере­дачей:

1,36IU

N =- +N ,

^е 1000т1_г

где N_B — мощность, расходуемая на вспомогательные нужды тепло­воза (вентилятор холодильника, возбудитель, вспомогательный гене­ратор, компрессор и т.д.), л. с. Обычно N_B составляет 8—12 % от эф­фективной мощности дизеля.

Общим коэффициентом полезного действия дизеля, определяющим в конечном итоге его экономичность, является эффективный КПД. Эф­фективным КПД дизеля г\_в называется отношение выработанной им механической энергии к количеству тепла, введенному в дизель с топливом за то же время:

₌ 632N_e

где В_ч — расход топлива дизелем, кг/ч;

Q_T — теплота сгорания дизельного топлива, ккал/кг;

632 — тепловой эквивалент механической энергии, ккал/(л.с. -ч).

Степень совершенства использования тепла в цилиндрах двигате­ля характеризуется величиной индикаторного коэффициента полез-

139

ного действия г\, Индикаторный КПД определяется как отношение механической энергии, выработанной в цилиндрах дизеля, к теплу, внесенному в дизель с топливом за определенное время (например, за 1 ч):

, 632N_i

Эффективный и индикаторный КПД связаны соотношением

4 = 4л_м-

Индикаторный КПД в современных тепловозных дизелях состав­ляет 0,43—0,49. Тогда, приняв средние значения r_t и г_м, получим:

4 = 0,47-0,85 = 0,4.

В новых четырехтактных тепловозных дизелях эффективный КПД достигает значения 0,42, что соответствует удельному эффективному расходу топлива 150 г/(э.л.с.-ч).

Отношение индикаторного КПД к термическому называется от­носительным КПД г)₀. Этот коэффициент учитывает потери тепла в действительной машине по отношению к идеальной.

Как видим, КПД современного дизеля достиг высоких значений. Следует ожидать, что дальнейший рост КПД дизелей будет сопровож­даться большими трудностями, так как он уже значительно прибли­зился к КПД идеальной машины (r\_t = 0,62 / 0,66).

Поэтому усилия ученых направлены на поиски новых путей пре­вращения тепловой (а также и атомной) энергии в механическую с более высоким КПД (60—65 %).