книги из ГПНТБ / Чернышев А.Н. Корабельные двигатели внутреннего сгорания. (Теория рабочих процессов поршневого двигателя) учебное пособие
.pdfбочего процесса является определение размеров цилиндра. Для этого можно воспользоваться формулой (105)
Ne |
У ^Пда 2 К |
1 |
|
0,45 |
Л .С |
||
|
Ре |
|
|
откуда |
|
|
|
у = - ~ °'Ц5Н* |
. |
(из) |
|
h ПАВ2 К р е |
|
||
В последнем уравнении Ne |
, рс ,п дв, к |
известны (либо |
|
заданы, либо получены расчетом); |
|
||
z - число цилиндров, выбирается исходя из конструктив ного замысла, заложенного в проектируемый дизель.
Величину рабочего объема цилиндра легко выразить через
диаметр и ход поршня |
г |
|
V k - ^ - S • |
« I » ) |
|
В двигателях с противоположно движущимися поршнями берется суммарное расстояние между выпускным и продувоч
ным поршнями S e + S „ или при их равенстве 25 |
. Тогда |
* |
(П 5) |
Соотношение между диаметром цилиндра и ходом поршня выбирается на основании различных соображений и оценива ется величиной jj-=B . В современных двигателях д—=1,0* *1,3. В последние годы обнаруживается стремление к созда нию "короткоходных" двигателей, у к о т о р ы х -- находится ближе к нижнему пределу. Это имеет следующие преимущества:
1)уменьшается высота двигателя;
2)уменьшается средняя скорость поршня
г — &Пм |
^ |
• |
Ст ~ ц |
с е к |
* |
3) сокращается пробег поршня, вследствие чего умень шается износ поршневых колец и втулки.
Возрастающие при этом потери теплоты с отходящими га
130
зами и возможное уменьшение компенсируется использо ванием значительной части этой энергии в газовой турбине, являющейся неотъемлемым элементом современного дизеля.
|
Подставляя |
S = B 'D 4 в формулу (114) или |
(115) и ре- |
|||
пая |
уравнения |
относительно |
, получаем |
|
||
|
|
|
|
з |
|
|
|
|
|
|
V?В |
(116) |
|
|
|
|
|
|
|
|
для |
двигателя |
с ПДП |
= \[Ш |
|
||
|
|
|
Ян |
(117) |
||
|
|
|
V |
я в |
|
|
|
Удельная мощность двигателя характеризует мощность, |
|||||
снимаемую с единицы рабочего объема цилиндра, |
||||||
|
ие |
- |
|
м - |
(118) |
|
|
|
■чл |
У-и 2 |
|
||
и является критерием форсировки двигателя. |
|
|||||
|
Весьма употребителен и другой критерий, |
именуемый |
||||
удельным весом |
двигателя, |
1/ 9 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
= |
|
кг |
(119) |
|
|
Ые |
л . с. |
|||
где |
- вес |
дизеля |
в кг. |
|
||
|
Удельный вес характеризует металлоемкость двигателя, |
|||||
т .е . |
вес, приходящийся на |
единицу снимаемой мощности. |
||||
§ 23. Тепловой баланс двигателя
Как следует из предыдущего параграфа, тепло, которое должно выделиться при сгорании топлива, только частично переходит в эффективную работу на валу двигателя. Другую, большую часть этого тепла составляют потери.
Картину распределения располагаемой теплоты сгоревше го топлива по основным составляющим называют внепним теп ловым балансом двигателя. Тепловой баланс двигателя опре деляется экспериментально. Различают абсолютный и удель ный тепловые балансы.
Абсолютный |
тепловой баланс назван так потому, что со |
|||
ставляется в абсолютных |
единицах |
Q |
ккал/час. |
|
В удельном |
тепловом |
балансе |
все |
составляющие отнесе |
ны к низшей расчетной теплоте сгоревшего топлива и пред
ставляют, таким образом, |
доли этой |
эталонной |
теплоты. |
|||||||
Обозначим |
х |
-вый |
член |
абсолютного |
теплового |
баланса |
||||
d x |
, тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
_ |
- |
|
- |
тепло, |
выделившееся при сгорании |
израс |
|||
QT = HUGT |
|
|||||||||
ходованного |
в |
течение I часа GT |
кг/час топлива. |
|
||||||
|
Тепловой |
баланс, |
составленный |
в относительных |
едини |
|||||
цах, |
позволяет |
производить сопоставление составляющих теп |
||||||||
лового баланса |
самых различных двигателей. |
|
|
|||||||
Рассмотрим основные принципы экспериментального опре деления абсолютного теплового баланса и значения статей
относительного теплового баланса: |
|
||
Qt = Qe + Qохл + Or + |
» |
(l20) |
|
Яг = 1 ~ Яе + Чохл + Яг + Ял£ * |
(121) |
||
1. Теплота, |
внесенная с топливом, |
|
|
п |
,, г чаС |
кисел. |
|
Ит -H u.br |
KCLC |
|
|
- количество теплоты, которое должно выделиться при пол ном сгорании израсходованного в течение часа на дизель топлива. QT измеряется весовым или любым другим спосо бом.
В относительном тепловом балансе эта теплота принима
ется |
за единицу, т .е . |
|
|
|
|
q |
= |
= 1 . |
|
|
Чт |
|
QT |
|
|
2. Количество теплоты, эквивалентной полезной рабо |
|||
те на |
валу дизеля в |
течение часа, |
||
|
йеie = Ne 6 3 2 , 3 |
и к а л |
||
|
4CLC |
|||
Эффективная мощность дизеля |
определяется прямым путем |
|||
Т 2
с помощью специальных устройств, позволяющих одновремен но создавать нагрузку и измерять крутящий момент. К наи более точным и распространенным устройствам такого рода
относятся гидротормозы. Зная момент Ме |
и обороты вала |
||||||||
дизеля |
Н дв , |
|
легко |
определить мощность |
|
|
|||
|
|
|
Ne |
= |
|
Л. с . |
|
(122) |
|
|
|
|
|
( IbfC |
|
|
|
|
|
В относительном |
тепловом балансе |
|
|
|
|
||||
|
о |
|
Qe |
.. Не- 632,3 |
_ |
632,3 |
. |
||
|
Че ~ |
ат |
нu G?ae |
|
Ни. де |
|
1е |
||
Таким |
образом, |
|
|
, что ясно из самого определения |
|||||
эффективного к. п. д. |
|
|
|
|
|
||||
Величины |
ц е приведены |
в табл. |
5. |
|
|
||||
|
3. Количество |
теплоты, |
отводимой с |
охлаждающей жид |
|||||
костью |
(водой |
и маслом), |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Q оэсл ~ Q вод + ^ м а с л |
|
|
|||
определяется путем измерения весового расхода и перепада температур жидкости на выходе и входе в дизель:
Свод ~ Свод Свод ( С д ■бых ^вод-ex) i
Qjuacx = См.аслОиа.сл (^м асл.еы х ~ ^ м а с л в х ) •
Здесь
Ojи.а.сл~ теплоемкость масла в ккал /кг.град ; Свод - I ккал/кг град - теплоемкость воды. Относительная величина теплоотвода с жидкостью
4. |
Тепловые потери с выпускными газами |
|
Qr = й вып.га> ~ Овсзд= Ср Тг 0Г ~ Ср Тхц Ge . |
||
Здесь 0шп,газ |
- теплосодержание отходящих газов; |
|
Ч»езд |
~ теплосодержание, вносимое в двигатель с |
|
воздухом ,* |
|
|
Ср |
и Тг |
- средняя весовая теплоемкость и темпера |
тура выпускных |
газов; |
|
133
С? и |
Тхц |
- |
средняя |
весовая |
теплоемкость и темпе |
ратура воздуха на входе в дизель; |
|
||||
и |
Gr |
- |
весовые |
часовые |
расходы воздуха и газа. |
Весьма часто принимается G„ * G> . Относительные потери с выпускными газами
Цг = = 0,3 -г 0,^/5 .
5. Небаланс (остаточный член баланса) учитывает потери, которые не удается зафиксировать во время экспе римента, а также естественные ошибки при измерении всех остальных статей теплового баланса. Трудно, например, учесть прямыми измерениями потери несгоревшего топлива в
виде сажи, потери на |
радиацию теплоты в окружающую среду. |
|
Величина небаланса определяется |
разностью |
|
QHs ~ |
~ (Q e + |
+ Qr) |
или |
|
|
^ г = Т Г = 'Ш + М 5 ' - |
||
Следует обратить |
внимание на |
отсутствие среди статей |
теплового баланса механических потерь. Ото вполне объясни мо, так как все механические потери (на трение, привод вспомогательных механизмов и т .д .) в конечном счете пре образуются в теплоту, уносимую с охлаждающей жидкостью или рассеиваемую в окружающую среду, т .е . переходящую в остаточный член.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что нами рассматривал ся только внешний тепловой баланс, дающий возможность оце нить распределение теплоты только по основным конечным составляющим. В действительности имеет место сложная кар тина внутреннего перераспределения теплоты между отдель ными статьями теплового баланса.
На рис. 34 схематично показано внутреннее перераспре деление только некоторой части теплоты для четырехтактно го дизеля без наддува. Так, в результате охлаждения выпуск ного трубопровода часть теплоты, уходящей с отработавшими газами, переходит в охлаждающую воду.
134
Часть теплоты трения Xq,Tf} , где Я -0,7*0,9, также переходит в охлаждающую жидкость (воду и масло). В резуль тате q,KS и q,r уменьшаются, а q oxn увеличивается.
Рис. 24. Упрощенная схема теплового баланса четырех тактного дизеля без наддува.
qT,qe,q r , |
- статьи внешнего теплового |
баЛаН- |
|||
СЬ * |
ц |
“ |
количество теплоты, отводимое охлаждающей во |
||
О-охл |
|||||
дой от цилиндра дизеля; |
|
||||
Чг |
- |
теплота, |
уносимая с выпускными газами; |
|
|
привод |
|
- |
теплота, |
эквивалентная затратам на трение и |
|
вспомогательных механизмов; |
|
||||
ХтрЦтр- |
доля энергии трения, переходящая в виде |
тепла |
|||
в охлаждающую жидкость; |
|
||||
4tk ~ тепло, переходящее в воду при охлаждении выпуск ного коллектора.
135
Вы в о д ы
1.Тепловой баланс дает картину распределения теп лоты по составляющим и позволяет проанализировать пути улучшения экономичности двигателя.
2.Большая часть располагаемой химической энергии топлива теряется с выпускными газами (до 45#) и охлажда
ющей жидкостью (до 30#) и только 30*45# преобрузается в эффективную работу на валу двигателя.
3. Уменьшить количество теплоты, отводимое с охлаж дающей водой, трудно, так как недостаточное охлаждение деталей двигателя может привести к их перегреву и выходу из строя. Однако в ряде случаев теплота, отводимая с ох лаждающей водой, частично используется для целей обогре ва помещений, прогрева вспомогательных механизмов и дру гих двигателей.
4. Тепловая энергия отходящих газов может быть ис пользована в утилизационных котлах. Однако наиболее целе сообразно использовать энергию отходящих газов в турби нах путем преобразования ее в механическую работу. Это позволяет существенно увеличить механический к. п. д. ди зеля
Л/с |
Nj - N j u |
i Ntd + Nk - N t - N hx |
4al ~ ЬП |
Ui |
Hi |
за счет включения в составляющие мощности механических по терь отрицательной величины Нг .
5. Результаты исследования теплового баланса широ используются в расчетной практике для определения темпера туры газа перед турбиной
ТЗб
rn |
_ T ftC p |
o t t ip lfgTxtt + H«.( l ~Qox/i ~ 4 i 'Ч и В + Х -О -гр ) |
(123) |
||
T ~ |
|
me'" |
(ipa +ju 0-l)oC L0 |
|
|
Здесь me}, |
я тСр - |
средние мольные теплоемкости |
воздуха |
||
и газовоздушной смеси в выпускном коллекторе; |
|
||||
|
|
|
Xq,Tp - часть мощности трения, перешедшей в |
||
теплоту, |
отводимую с охлаждаемой жидкостью и учитываемую |
||||
во |
время |
эксперимента дважды членами q0XA и riL , |
вследст |
||
вие |
чего Xq,TJ) и ц мл имеют обратные знаки. |
|
|||
Вопросы для повторения
1.Дайте геометрическую интерпретацию среднего инди каторного давления. Стр. 105, рис. 26 .
2.Поясните физическую сущность среднего индикаторно го давления и назначение этого критерия. Стр. 105, фор мула (75) .
3.Дайте определение среднего индикаторного давления
и поясните |
условность |
этого |
критерия. |
Стр.106 . |
4 . Как |
экспериментально |
определяется величина р. ра |
||
ботающего |
двигателя? |
Стр. |
106, рис. |
26 . |
5. Выведите уравнение для аналитического определения среднего индикаторного давления расчетного цикла четырех
тактного двигателя |
р; |
. |
Стр. 106,107, формула |
(81) . |
|||||
6. |
В чем причина отличия площадей расчетной |
и дейст |
|||||||
вительной индикаторных диаграмм? Что такое коэффициент |
|||||||||
полноты диаграммы? |
Стр. |
ЬЕЗ, 109, |
формула |
(83) . |
|
||||
7. |
Как использовать формулу (81) для расчета среднего |
||||||||
индикаторного давления |
двухтактного |
дизеля? |
Стр. |
I09f H 0 , |
|||||
Формула (8Ф) . |
|
|
|
|
|
|
|
||
й. |
Каковы численные |
|
значения |
четырех- |
и двухтакт |
||||
ных дизелей? |
Объясните |
причины меньших значений |
р. |
в |
|||||
Двухтактных |
двигателях. |
|
Стр. ПО . |
|
|
|
|
||
9. |
От каких факторов более всего зависит величина р.' ? |
||||||||
Стр. |
НС . |
|
|
|
|
|
|
|
|
137
10. |
Дайте определение индикаторной мощности. |
Стр. |
Ц 2 . |
|
11. |
Напивите выражение индикаторной мощности через |
р. . |
||
Стр. |
I I 2, формула (85) . |
|
|
|
12. |
Дайте определение и напивите исходные соотношения |
|||
для индикаторного к. п. д. |
Стр. И З , формула |
(86) . |
|
|
13.Перечислите потери, учитываемые индикаторным
к. п. д . , и сопоставьте их с потерями, которые учитываются
коэффициентом использования теплоты. Стр. 114 и 75 .
14.Выведите уравнение для расчета индикаторного
к. п. д. и проанализируйте полученную формулу. Стр. 114,
XI5, |
формула |
(91) . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
15. Напишите исходное соотношение для удельного инди |
|
||||||||||||
каторного |
расхода топлива |
и покажите связь между 1^. |
и |
. |
||||||||||
Стр. I I 5, |
Ц б , формулы (92), |
(94) . |
|
|
|
|||||||||
|
16. |
Приведите |
значения |
|
и q. |
, соответствующие |
пол |
|
||||||
ной мощности современных дизелей. |
Стр, IIб . |
|
|
|
||||||||||
|
17. |
Перечислите составляющие механических потерь и |
|
|||||||||||
напишите их в виде суммы работ, мощностей и средних дав |
|
|||||||||||||
лений. |
Стр. |
I I 7 , |
формула |
(95) . |
|
|
|
|
||||||
|
18. |
Напивите |
выражение, |
устанавливающее связь между |
|
|||||||||
мощностью и средним давлением механических потерь. |
Стр. |
|
||||||||||||
118 , |
формула (96) . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
19. |
Перечислите |
составляющие, входящие в понятие |
"тре |
||||||||||
ние |
в дизеле", |
и укажите их примерные значения |
в процен |
|
||||||||||
тах. |
Стр. 119. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
20. |
Укажите главный фактор, обусловливающий |
величину |
|
||||||||||
мощности (среднего давления) трения и напишите соответст |
|
|||||||||||||
вующие |
зависимости. |
|
Стр. |
I I 9 - I 2 I , |
формулы (98), (99) . |
|
||||||||
|
21. |
В двигателях какого типа имеет место работа насос |
||||||||||||
ных ходов? |
Стр. 123 . |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
22. |
Изобразите диаграммы насосных ходов для случаев |
|
|||||||||||
г |
|
Г |
ц |
и - & |
« |
i . |
Покажите |
на диаграммах работу |
|
|||||
|
ц |
Рис. |
31 • |
|
|
|
|
|
|
|||||
насосных ходов* |
|
|
|
|
|
|
||||||||
138
|
2 3 . |
|
Поясните физическую сущность ср е хв е го давления на |
|||||||||||
сосных ходов н напините вырахеняе для расч ета нощностя |
|
|||||||||||||
насосных ход ов . |
|
С т р . |
I 2 3 - 1 2 5 , |
формула |
( 1 0 2 ) . |
|
|
|||||||
|
2% . |
Как |
определяется р ^ |
экспериментально я |
как под |
|||||||||
сч и та ть эту величину ориентировочно при отсутств и и диа |
|
|||||||||||||
грамм насосных |
ходов? |
|
С т р . |
1 2 3 , |
1 2 * , формула |
( 1 0 1 ) . |
|
|||||||
|
2 5 . |
Напините исходные соотноиения, устанавливающие |
|
|||||||||||
связь между эффективными, индикаторными показателями и |
|
|||||||||||||
показателям и, характеризующими механические п о те р н . |
|
|||||||||||||
С т р . |
1 2 6 , |
формула |
(1 0 3 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
2 6 . |
Дайте определение и напините исходное соотношение |
||||||||||||
для эффективного |
к . п . д . |
С т р , |
1 2 7 , |
формула ( 2 1 ) . |
|
|||||||||
|
2 7 . |
Напините |
исходное соотнонение для уд ельного эф |
|
||||||||||
ф ективного расход а топлива и соотнонени е , устанавж ваю щ ее |
||||||||||||||
связь между |
i i e |
и q t |
. |
С тр .12 7,128 , формулы ( 1 0 7 ) , |
(1 0 8 ) |
• |
||||||||
|
2 8 . |
Дайте определение и напините исходное соотнонение |
||||||||||||
для м еханического |
к . п . д . |
С т р . |
1 2 8 , |
уравнение (1 0 9 ) . |
|
|||||||||
|
2 9 . |
Напините и поясните уравн ен и е , устанавливающее |
|
|||||||||||
связь между |
i£c |
, |
?£• |
и Цм • |
С т р . 128 |
, формула ( Н О ) . |
|
|||||||
|
3 0 . |
Приведите |
численные |
значения для |
|
i ^ |
, |
|||||||
соответствующие |
полным мощностям |
современных |
дизелей. |
|
||||||||||
(Т а б л . |
5 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 1 . |
Что |
такое |
удельный |
вес |
дизеля? |
С т р . |
1 3 1 , |
форму |
|||||
ла |
( 1 1 9 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 2 . |
Что |
такое |
внешний тепловой баланс двигателя? |
|
|||||||||
С т р . 13 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
3 3 . |
Перечислите составляющие внешнего теплового ба |
|
|||||||||||
ланса и напините исходные уравнения абсои отн ого и удельно |
||||||||||||||
го |
теплового |
баланса. |
|
С т р . |
1 3 2 , |
формулы ( 1 2 0 ) , |
( 1 2 1 ) . |
|||||||
|
3 * . |
Поясните |
методику экспериментального |
определения |
||||||||||
и |
расчета составляющих |
величин |
теплового баланса . |
|
|
|||||||||
С т р . 1 3 2 - 1 3 * . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
3 5 . |
Каковы основные пути утилизации тепловых потерь |
|
|||||||||||
двигателя? |
С тр . |
135 . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
139