Двигатели внутреннего сгорания. В 6 ч. Ч. 4. Индикаторные и эффективные показатели поршневых двигателей внутреннего сгорания
.pdfСледовательно, с помощью оценивают степень использования теплоты в цилиндрах двигателя с учетом всех тепловых потерь, включай и отвод теплоты в холодный источник.
Необходимо отметить, что оценивать теплоиспользование в двигателях по удельному расходу топлива можно только в случае сопоставления параметров двигателя при работе на одном и том же топливе. При анализе двигателей, работающих на топливе с различной низшей теплотой сгорания Ни, теплоиспользование следует оценивать по индикаторному КПД г|| или, что все равно, по произведению теплоты сгорания и удельного расхода топлива.
2. СВЯЗЬ МЕЖДУ ОСНОВНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА
Анализ факторов, влияющих на показатели цикла, и определение предпосылок предполагаемой экономичности проектируемого двигателя можно производить по формулам, отражающим функциональную зависимость N|, р|, r|j от параметров Pi, r|v, а, Ни, 1о, Vh, Ув и др.
Физический смысл и значения указанных символов рассмотрены ранее во второй и четвертой частях данного пособий.
Для установления связи между основными парамотрами рабочего цикла вначале определим значение коэффициента наполнения tjv
Как известно, riv = Gi/Gh. где Gi - копичество свежего заряда, действительно поступившего в цилиндр (кг); Gh - количество свежего заряда (кг), которым можно заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре перед апускными органами PQ И ТО ИЛИ Рк и Т^, что соответствует работе двигателя без наддува или с наддувом. При этом удельный вес воздуха во впускном трубопроводе ув может иметь значение уо или уц.
Gi =а1оОтТ/(2(П); |
(18) |
Qh = VhyB. |
(19) |
в соотношениях (18) и (19) Gt выражено в кг/с, п - в об/с, Vh - в мЗ, Ye - в кг/мЗ, - в мЗ.
Расход топлива Gy (кг/с) из уравнений (11) и (16) будет
Gt = Qi-Nj = Р, qi (2 i Vh-n/T), |
(20) |
где qi выражено в кг/Дж, Ц - в Вт, Vh - в м^ и Р| - в Па.
При подстановке cootHoiiieHnft (18), (19) и (20) в формулу
Tiv получим |
|
|
T)v = |
РгРг(а1о/Ув). |
(21) |
Из выражения (21) находим удельный индикаторный рас- |
||
ход топлива Qi Ё кг/Дж: |
|
|
qt = |
(Ya/«o) {ilv/a Pi). |
(22) |
Удельный индикаторный расход топлива qt в г/(кВт ч) определится выражением
Qi = 3e00(yB/y(nv/aPi). |
(23) |
где Pi выражено в^ МПа. |
|
Ёсли известна теплота сгорания топлива, то |
|
Л| = 1/(НиЯ1). |
(24) |
где Ни выражено в Дж/кг, а Qj - в кг/Дж.
Подставляя значение q, (22) в уравнение (24), получим
следующее выражение индикаторного КПД: |
|
111 = (to/Ни) (a-Pi/TivYB). |
(25) |
При подстановке в уравнение (25) Ни - в МДж/кг, |
Р| - в |
МПа, 1о - в мЗ, ув - в кг/мЗ оно будет иметь тот же вид. |
|
Из уравнения (25) среднее индикаторное давление цикла |
|
в Па будет |
|
Р| = (Ни /1о) (Л|/а) Лу Ув. |
(26) |
механизмов (насосов, вентилятора, генератора, компрессора и др.) и на гидравлические потери, определяемые преодолением деталями КШМ сопротивления масла в картерном пространстве, т.е.
Nm = N,p+N„ao+Nnp+Nr. |
(29) |
Мощность Nm определяется экспериментально, |
причем |
примерно 70% ее расходуется на преодоление трения и на другие виды потерь - до 30%.
Таким образом, эффективная мощность двигателя (в кВт), снимаемая с маховика, меньше индикаторной на вели-
чину мощности механических потерь N^,: |
|
Ne = Ni-N„. |
(30) |
Мощность, затрачиваемую на механические потери, а также эффективную мощность, аналогично индикаторной принято относить к единице рабочего объема цилиндра и выражать в условных единицах давления Ре и Р„, т.е. в соответствии с выражениями (29) и (30) и рис.1:
Рм=-Р^р+Рнас+Рпр+РгИ Ре = РгРм- |
(31) |
Выражая Рм в МПа, Vh - в л, п - в об/мин, по аналогии с выражением (12), получим формулу мощности, затрачиваемой на механические потери N^ (в кВт).
N^ = P^iVh n / 3 0 t |
(32) |
Из выражения (32) среднее давление механических потерь (в МПа) будет
Р„ = 30Nm T/iVh-n. |
(33) |
Опытным путем установлено, что давление Рм зависит от типа двигателя, скорости поршня и диаметра цилиндров, отношения хода поршня к диаметру цилиндра S/Д и нагрузки
И
на двигатель. Эта зависимость выражается эмпирической формулой
Рм = а+всп, |
(34) |
где Сп = n S/30 - средняя скорость поршня в м/с; |
S - ход |
поршня в м; а и в - коэффициенты, зависящие от указанных выше факторов {а = 0,035 - 0,113, в = 0,012 - 0,010).
По аналогии с индикаторной мощностью (12) эффектив-
ная мощность Ne (в кВт) определяется по формуле |
|
Ne = Pe-i Vh-n/SO т, |
(35) |
где Ре выражено в МПа, Vh - в литрах и п - в об/мин.
Из (35) среднее эффективное давление Ре (в МПа) будет
Fe = SONe-T/iVh-n. |
(36) |
Среднее эффективное давление Ре представляет собой условное постоянное давление на поршень, при котором создается работа, равная эффективной работе на валу двигателя за один цикл.
Механические потери оцениваются Механическим КПД
Пм- |
|
tl„ = (N|-NJ/N,= 1-Nm/N, = Ne/N| |
(37) |
или |
|
Пм = (Р1-Рм)/Р|= 1-Рм/Р1 = Ре/Р|- |
(38) |
Из уравнений (37) и (38) следует, что |
|
Ре = Лм-р! и Ne = ^M-Ni- |
(39) |
Учитывая выражения (35), (36), (37), (38) и (28), Ne и Ре |
|
можно представить в виде |
|
Ne = ^MPiVhin/30T; |
(40) |
Ре = 30ri„N|T/iVhn |
(41) |
или |
|
Ne = (Ни/1о)(П1/а)(п/30т)1УнЛмЛуУв: |
(42) |
Ре |
= (Ни/1о) ( П | / « ) |
llv Лм Ув. |
(43) |
где Ни выражено в МДж/кг, Pg - |
в МПа, Ng - |
в кВт, Ув - в |
|
кг/мЗ, Ip - в м^. |
|
|
|
Из формул (34), |
(40), (37) и (38) следует, что с увеличе- |
||
нием угловой скорости вращения коленчатого вала эффективная мощность и среднее давление механических потерь двигателя увеличиваются, а механический КПД ri^, при постоянном среднем индикаторном давлении Pj уменьшается. Это происходит как вследствие возрастания сил инерции, так и в результате увеличения механических потерь.
При уменьшении нагрузки, а следовательно, и давления Р| значение Г)^ снижается, и на холостом ходу, когда давление Pj = Рм коэффициент Т1м=0. В этом случае вся индикаторная мощность полностью расходуется на покрытие механических потерь, т.е. Nj = N^, а поэтому эффективная мощность двигателя Ne также равна нулю.
Значения механического КПД и среднего эффективного давления Р^ при работе автотранспортных ДВС на номинальном режиме приведены в табл. 3.
|
|
|
|
Таблица 3 |
№ пп |
Двигатели |
|
Пм |
Ре. МПа |
1 |
Четырехтактные карбю- |
|
|
|
|
раторные |
0,7 |
- 0,85 |
0,6 - 0.95 |
2 |
Четырехтактные дизели |
0,7 |
- 0,82 |
0.55 - 0.85 |
3 |
Газовые |
0,75 - 0,85 |
0.5 - 0.75 |
|
4 |
Четырехтактные дизели с |
|
|
|
|
наддувом |
0,8 |
- 0,9 |
0 , 7 - 2 , 0 |
5 |
Двухтактные быстроход- |
|
|
|
|
ные дизели |
0,7 |
- 0.85 |
0.4 - 0,75 |
3.2. Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива
Степень использования двигателем теплоты, введенной в
него при сгорании топлива, оценивается эффективным КПД Г|е и удельным расходом топлива Qe-
Эффективная работа, отнесенная к 1 кг топлива, Le= Li-L^, т.е. КПД определится выражением Г|е = 1е/НиОтТак как Le/L, = I-Lm/L) = Ям И Le = Пм Ц, ТО
Ле = Лм1н/Ни Gt = TiM-tli. |
(44) |
где согласно выражению (16) отношение IV Н^ G^ для одного кг топлива равно т](.
Из выражения (44) видно, что эффективный КПД Tie учитывает как тепловые, так и механические потери в двигателе и поэтому равен произведению
При подстановке в выражение (25) rji = Ле/Пм получим уравнение эффективного коэффициента полезного действия:
Пе = (to/HH) (a P,/nv yB) ^M = do/ Ни) (а Ре/Т1у.Ув) • (45)
где Ни выражено в МДж, Pg - в МПа.
Удельный эффективный расход топлива Qe по аналогии с
выражением (15) будет |
|
|
qe = QT-103/Ne, |
|
(46) |
где Gt выражено в кг/ч, Ng - в кВт, Ре - в г/(кВт ч). |
|
|
Если известна теплота сгорания |
одного кг топлива, то |
|
Ре (46) примет вид |
|
|
Ре = 1/ЛеНи. кг/МДж. |
(47) |
|
Подставив в выражение (47) значение rie (45), где Ре выражено в МПа, Ре - в г/кВт ч, получим значение Ре, отражающее его зависимость от параметров действительного цикла:
Ре = 3600 (YB-Tiv/a to Pe). |
(48) |
На основании приведенных ранее формул можно записать, что Qi/qe = Г)е/Л| = "Пм. откуда
qe = qi/'Пм- |
(49) |
пределы величин г],, Т|е, Qj и Ре для современных |
двига- |
телей на номинальном режиме их работы приведены в табл. 4. Таблица 4
№ пп Двигатели |
Ле |
Qi. |
Че. |
|
|
г/(кВтч) |
г/(кВтч) |
1Карбюраторные автомо- 0,28 - 0,39 0,25 - 0,33 245..300 300...325 бильные
2 |
Быстроход- |
0,42 |
- 0,48 |
0,35 |
- 0,40 |
175...205 |
217...238 |
|
ные дизели |
0,28 |
- 0,33 |
0,23 |
- 0,28 |
12,В..,10,8 |
17...14,4 |
3 |
Газовые |
||||||
|
|
|
|
|
|
МДж/кВтч |
МДж/кВт-ч |
Удельный эффективный расход топлива q^ является величиной обратно пропорциональной эффективному КПД rje (47) и зависит от-скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. На установившемся режиме (n=const) минимальному значению расхода qg соответствует максимальная величина коэффициента rje. Такой режим работы двигателя называется экономичным.
При уменьшении нагрузки удельный расход топлива qg у карбюраторных двигателей резко возрастает, так как значения коэффициентов i^i и г|м, а следовательно, и Ре уменьшаются. Если двигатель работает на холостом ходу, то коэффициент tij,, равен нулю, а эффективный расход топлива qe - бесконечности.
В случае увеличения нагрузки до 80...85% полной нагрузки топливная экономичность карбюраторных двигателей также ухудшается, что вызвано уменьшением коэффициента включением экономайзера и соответственно неполным сгоранием топлива.
у дизелей при уменьшении нагрузки коэффициент а вследствие уменьшения количества впрыскиваемого топлива увеличивается, что приводит к увеличению коэффициента Т]! и уменьшению удельного расхода топлива q|.
Удельный эффективный расход топлива ре у дизелей при уменьшении нагрузки несколько увеличивается из-за уменьшения коэффициента rjn,. При увеличении же нагрузки дизеля этот расход увеличивается в результате ухудшения протекания процесса сгорания топлива. Нагрузку можно увеличивать только до появления в отработавших газах сажистых отложений (предел дымления).
3.3. Основные параметры сравнительной оценки поршневых д в е
Оценку работы двигателя с точки зрения эффективного использования рабочего объема {У^ !), а также его тепловой и динамической напряженности производят по следующим показателям:
удельная литровая мощность Nn=Nemax/i Vh в кВт/л; удельная поршневая мощность Nn=Nemax/i Fn в кВт/дм^; средняя скорость поршня Cn=n S/30 в м/с.
Литровая мощность позволяет С[эавнивать и оценивать совершенство рабочих процессов и конструкций двигателей различных типов и моделей. Чем больше литровая мощность, тем меньше при прочих равных условиях габаритные размеры и масса двигателя.
Тепловую и динамическую напряженность двигателей удобно сравнивать по значениям текущей и средней скоростей поршня (Vn и Сп).
На габариты двигателя и на скорость Сп, а значит, и на величину механических потерь, оказывает большое значение отношение S/Д, что подробно рассмотрено в п.1.2 первой части данного учебного пособия.
Эффективная литровая мощность в кВт/л с учетом фор-
мул (35) и (42) будет |
|
Nn = Т1мР1П/30Т = Ре-п/ЗОт |
(50) |
или |
|
