Тема 8. Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя.

Индикаторные показатели работы двигателя

Показатели работы двигателя подразделяются на индикаторные (внутренние), характеризующие совершенство рабочего цикла в цилиндре и учитывающие только тепловые потери в самом цилиндре, и эффективные (внешние), учитывающие помимо тепловых и механические потери, которые имеются при передаче энергии расширения газов через поршень и кривошипно-шатунный механизм на коленчатый вал двигателя

К индикаторным показателям двигателя относятся среднее индикаторное давление р_і индикаторная мощность N_i, индикаторный удельный расход топлива g_i и индикаторный КПД η_i.

В результате осуществления цикла тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, с известной степенью совершенства (определяемой индикаторным КПД) превращается в полезную работу, развиваемую газами в цилиндре двигателя и называемую индикаторной работой цикла L_i. При этом давление в цилиндре непрестанно меняется.

Для удобства ведения расчетов и сравнения разных двигателей переменные по ходу поршня давления можно заменить постоянным (фиктивным) давлением, которое обеспечивает получение той же работы, что и цикл с переменным давлением. Это среднее постоянное давление называется средним индикаторным давлением p_i. Следовательно, под средним индикаторным давлением подразумевается условное постоянное давление p_i действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее за один цикл работу, равную индикаторной работе замкнутого цикла. Графически среднее индикаторное давление представляет собой высоту прямоугольника, площадь которого раина площади индикаторной диаграммы, а основание – длине диаграммы (рис, 8.1).

Среднее индикаторное давление позволяет сравнивать любые циклы и двигатели любых типов по мощностным показателям независимо от способа осуществления рабочих процессов. Двигатели, в которых получаются большие средине индикаторные давления, будут развивать при прочих равных условиях (такт-ность, размеры и число цилиндров, частота вращения) большую мощность.

Рис. 8.1. К определению среднего индикаторного давления

Среднее теоретическое индикаторное давление р_i^’ может быть выражено как отношение индикаторной работы цикла L’_i к рабочему объему цилиндра V_s:

Таким образом, среднее индикаторное давление представляет собой удельную работу цикла, т. е. работу, приходящуюся на единицу рабочего объема цилиндра.

Из расчетной теоретической индикаторной диаграммы (рис. 8.1) найдем полезную индикаторную работу газов для смешанного цикла в виде алгебраической суммы индикаторных работ отдельных процессов:

где L_cy – работа процесса подвода теплоты при V = const; из-за отсутствия изменения объема L_cy = 0; L_yz – работа процесса подвода теплоты при р = const; L_zb –работа процесса расширения при n₂ = const; L_ac – работа процесса сжатия при n₁ = const.

В результате получим окончательное выражение для среднего теоретического индикаторного давления

Действительное среднее индикаторное давление для четырехтактных ДВС

где – коэффициент скругления индикаторной диаграммы, который представляет собой отношение площади действительной индикаторной диаграммы к площади теоретической индикаторной диаграммы. Для четырехтактных двигателей ξ = 0,90.,,0,96.

Скругление диаграммы у точки с на действительной индикаторной диаграмме объясняется опережением подачи топлива; у точек у и z – конечной скоростью сгорания топлива и, наконец, в конце хода расширения у точек b и а – предвареннем открытия выпускного клапана.

В двухтактных двигателях jбычно принимают, что хвостовая часть диаграммы полностью компенсирует потери на скругление. Тогда действительное среднее индикаторное давление двухтактных двигателей, отнесенное к полному ходу поршня, может быть определено как

Мощность двигателя, соответствующая индикаторной работе замкнутого цикла, называется индикаторной мощностью:

Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя:

К потерям относятся потери теплоты от неполноты сгорания топлива и в результате теплообмена рабочего тела со стенками рабочего цилиндра. Все тепловые потери в расчетном цикле реального двигателя учитываются индикаторным КПД, который является критерием совершенства использования теплоты, подведенной к рабочему телу с топливом.

Индикаторный КПД представляет собой отношение количества теплоты, преобразованной в индикаторную работу (работу, развиваемую газами в цилиндре реального двигателя), к количеству теплоты, подведенной для совершения этой работы:

;

;

;

где G_т – часовой расход топлива, кг/ч; Q_н – низшая теплота сгорания, кДж/кг.

Удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВт·ч):

или

где – часовой расход топлива, кг/ч.

Эффективные показатели работы двигателя

К эффективным показателям двигателя относятся среднее эффективное давление р_е эффективная мощность N_e эффективный КПД η_e и удельный эффективный расход топлива g_е.

Среднее эффективное давление р_е представляет собой условное среднее постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе н совершающее работу, эквивалентную полезной эффективной работе, передаваемой через выходной фланец коленчатого вала на винт или другой потребитель. Другими слонами, среднее эффективное давление р_е представляет собой удельную эффективную работу двигатели.

Среднее эффективное давление, учитывающее кроме тепловых все механические потери, определяется из выражения

При оценке эффективных показателей на основании расчета рабочих процессов двигателя среднее эффективное давление определяют в зависимости от среднего индикаторного давления расчетного цикла и принятого значения механического КПД

Среднее эффективное давление ре является одним из важнейших показателей рабочего цикла, характеризующих степень эффективности использования объема рабочего цилиндра, уровень освоения наддува и, наконец, совершенство изготовления двигателя в целом.

Эффективная мощность N_e, так же как и р_е, учитывает тепловые и механические потери в двигателе:

Для перехода от N_i к N_e обычно используют механический КПД значение которого известно для всех основных режимов работы двигателя (по результатам стендовых испытаний):

Приведенные выше формулы для индикаторной мощности можно использовать для определения N_e:

Эффективный КПД:

Удельный эффективный расход топлива:

.