Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)
.pdfГлава 2
ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДИЗЕЛЕЙ
§ 2.1. Энергетические индикаторные показатели
Индикаторная работа и среднее индикаторное давление. Дей ствительный рабочий цикл ДВС отображается индикаторной диаграм мой, снятой при его работе. На рисунке 2.1 показана индикаторная диаграмма судового малооборотного двухтактного дизеля, снятая с помощью электронного индикатора. По оси ординат отложено давле ние в цилиндре в барах, по оси абсцисс - объем цилиндра (объем каме ры сжатия не показан).
Если бы давление было выражено в паскалях, а объем цилиндра в м ъ, то полезная работа была бы представлена заштрихованной площадью внут ри индикаторной диаграммы (заштрихованная пло щадь рис. 2.1 пропорциональна полезной работе цикла). Эту работу принято называть индикатор ной работой - L., Дж.
Поскольку величина L. зависит от размеров цилиндра (величины VJ, то пользоваться ею как энергетическим показателем неудобно, особенно
Рис. 2.1.
К определению
среднего
К м 3
индикаторного НМТ давления
Гл. 2. Показатели рабочего цикла дизелей |
41 |
при сравнении показателей различных двигателей. В теории поршне вых ДВС такую оценку принято проводить с помощью удельной инди каторной работы цикла, представляющей собой отношение индика торной работы к рабочему объему цилиндра
Анализ размерностей, приведенный в квадратных скобках выра жения (2.1), показывает, что удельная работа цикла может быть пред ставлена как некоторое условное постоянное давление р., при котором за один рабочий ход поршня совершается полезная индикаторная ра бота цикла. В связи с отмеченным этот параметр в теории ДВС приня то называть средним индикаторным давлением.
На рисунке 2.1 показана геометрическая интерпретация опреде ления р.. Если площадь индикаторной диаграммы (косая штриховка) преобразовать в равновеликую площадь прямоугольника с длиной, рав ной Vh (отмечено вертикальной штриховкой), то высота этого прямоу гольника будет равна р .
Среднее индикаторное давление, как удельная работа цикла, от ражает эффективность использования рабочего объема цилиндра - чем больше р , тем больше Дж полезной работы снимается с 1 м3 рабочего объема цилиндра, тем выше эффективность двигателя как источника* механической работы.
И ндикаторная мощность и индикаторный крутящ ий момент. Мощность, получаемая в одном цилиндре за один рабочий цикл - ин дикаторная цилиндровая мощность, - определяется как
где т = 60 • m/п - время совершения одного рабочего цикла, с; от, п - коэффициент тактности, частота вращения коленчатого вала, об/мин.
Подставим в формулу последнее выражение, а тарке принимая
L = р. ■Vh, получим:
где С = VJ{60 ■т) - постоянная цилиндра.
42 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
Индикаторная мощность многоцилиндрового дизеля при условии идентичности рабочих процессов в цилиндрах определится умноже нием правой части формулы (2.2) на число цилиндров i
N.= C - i - P i -n. (2.3)
В формулы (2.2 и 2.3) р. следует подставлять в килопаскалях или мегапаскалях (напомним, что 1 бар = 100 кПа и 1 бар = 0,1 МПа), тогда мощности будут измеряться соответственно в кВт и МВт. Частота вра щения коленчатого вала подставляется в об/мин.
Величина р. зависит от уровня форсировки дизеля наддувом и для современных судовых дизелей достигла 20-25 бар. Для сравнения мож но отметить, что уровень р. дизелей, выпускавшихся в середине XX века, составлял 8-10 бар. Мощность двигателя, кроме р., как видно из формул, прямо пропорциональна рабочему объему цилиндра, их коли честву и частоте вращения коленчатого вала. Однако при проектирова нии дизелей параметры, определяющие мощность дизеля, не могут выбираться произвольно, требуется достаточно сложное согласование их величин между собой в зависимости от назначения дизеля.
Для расчета прочности коленчатого вала требуется определить
крутящий индикаторный момент двигателя —М . Расчетная формула для М имеет вид
M i = - l — - Fn - r - p h |
(2.4) |
71 *т |
|
где, кроме известных параметров Fn = 7С |
- площадь поршня, м2; г = |
S/2 - радиус кривошипа коленчатого вала, м. При подстановке в фор мулу р в МПа крутящий момент будет измеряться в МН-м.
§ 2.2. Индикаторные показатели топливной экономичности
При условии полного сгорания цикловой подачи топлива g if количество теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле, составит QT = SVQHкДж. Теплота, эквивалентная полезной работе цикла Q. = L. кДж.
Отношение полезной теплоты к подведенной называют индика торным КПД:
„ _ а _ L i
(2'5)
Гл. 2. Показатели рабочего цикла дизелей |
43 |
Физический смысл индикаторного КПД состоит в том, что его численное значение, выраженное в долях от единицы или в процентах, показывает, какая часть от выделившегося при сгорании топлива тепла преобразована в полезную механическую работу в рабочем цикле. В современных судовых дизелях достигнуты значения 7]. = 0,53-0,55 (53-55%).
Индикаторный КПД отражает степень преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу. Затраты топлива на получе ние полезной работы оцениваются показателем, получившим наиме нование удельный индикаторный расход топлива:
(2.6)
где G4 - расход топлива на двигатель, кг/ч (часовой расход топлива). Очевидно, что g .имеет размерность кг/(кВтч). Физический смысл удель ного индикаторного расхода топлива ясен из его размерности: значе ние g. показывает, сколько кг топлива затрачивается на получение 1 кВтч полезной индикаторной работы.
Индикаторные показатели экономичности двигателя связаны меж ду собой. Для вывода формулы положим, что некоторый двигатель мощностью N. кВт работает в течение 1 часа (3600 с). Индикаторная работа, произведенная двигателем за это время, составит 3600 • N. кДж. Количество тепла, подведенного к рабочему телу в цилиндрах за этот же промежуток времени, составит G4 ■QH кДж. Индикаторный КПД может быть определен как
3600 -М 3600 3600
Vi
Q |
(2.7) |
Таким образом, индикаторные экономические показатели между собой связаны обратно пропорциональной зависимостью. Формулу (2.7) можно решить относительно g.
3600
g ' " n r & - |
(2Я} |
Принимая QH= 42 700 кДж/кг, определим по формуле (2.8) диапа зон значений g., соответствующий приведенным выше значениям ин дикаторного КПД: g = (0,159 -*■0,153) кг/(кВтч) или (159 - 153) г/(кВтч). Из формулы видно, что удельный индикаторный расход топлива зави
44 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
сит также от низшей теплоты сгорания. Если двигатель работает на мазуте, g увеличивается на 3—5% из-за меньшей теплоты сгорания мазута.
Индикаторные показатели оценивают экономичность внутрицилиндровых процессов двигателя, так как не вся механическая работа цилиндров передается потребителю, действительными экономически ми показателями двигателя являются его соответствующие эффектив ные показатели, рассматриваемые далее.
§ 2.3. Эффективные показатели работы. Механический КПД
При работе двигателя часть полезной индикаторной работы рас ходуется внутри самого двигателя, поэтому потребителю энергии пе редается меньше энергии. Эту работу называют работой механичес ких потерь Lm= i ■Ьтц, где Ьтц - работа механических потерь, прихо дящаяся на один цилиндр двигателя.
Механические потери двигателя обусловлены следующими при чинами.
Потери трения составляют большую часть механических потерь. Они вызываются трением во всех сопряженных, движущихся относи тельно друг друга парах. Наибольшая затрата энергии на трение про исходит в цилиндрах при трении поршневых колец и цилиндровой втул ки (до 70% от всей работы трения в двигателе), это обусловлено высо ким удельным давлением колец на втулку и плохими условиями смаз ки вследствие высоких температур трущихся деталей. В подшипниках скольжения и приводах смазка обеспечивается циркуляционной сис темой под давлением, поэтому потери на трение здесь значительно меньше.
При трении работа превращается в тепло и отводится частично в охлаждающую воду, частично с циркуляционным маслом. В конечном итоге в теплообменниках эта часть энергии отводится в охлаждающую забортную воду.
Потери на осуществление насосных ходов поршня имеют место только в четырехтактных двигателях. Величина потерь зависит от пе репадов давлений в цилиндре и выпускном тракте на такте выпуска, в ресивере и цилиндре на такте наполнения. Перепады давления зависят от гидравлического сопротивления впускных и выпускных клапанов и скорости движения поршня, которая пропорциональна частоте вра
Гл. 2. Показатели рабочего цикла дизелей |
45 |
щения коленчатого вала. Доля рассмотренных потерь не превышает
2% от Lт .
Потери на привод навешенных вспомогательных агрегатов обус ловлены тем, что часть индикаторной работы затрачивается на привод: распределительного вала (от него приводятся топливные насосы высо кого давления, впускной и выпускной клапаны, регулятор частоты вра щения); водяного, масляного, топливоподкачивающего насосов и др. Доля рассматриваемых потерь зависит от количества и мощности, при водимых от коленчатого вала двигателя агрегатов. Для судовых дизе лей с газотурбинным наддувом она не превышает 3% от L .
Потребителю энергии от одного цилиндра двигателя передается работа Le = L. - Ьтц, которую называют эффективной. Поделив почлен но приведенное уравнение на рабочий объем цилиндра, получим: р е =
L e |
L mi |
p. - р т, где р е = — - среднее эффективное давление; р |
———■— |
среднее давление механических потерь. |
Vh |
|
Так же как и р., эти давления являются условными величинами, их нельзя измерить по индикаторной диаграмме. Среднее эффективное давление по смыслу является удельной работой, снимаемой с 1 м3 ра бочего объема цилиндров двигателя и передаваемой потребителю энер гии. Среднее давление механических потерь - удельная работа меха нических потерь в двигателе, приходящаяся на 1 м3 рабочего объема цилиндров.
Вполне очевидно, что эффективная мощность и эффективный крутящий момент двигателя могут быть выражены следующим обра
зом: Nе = NI. - N т и Ме = М.i - Мт .
По аналогии с индикаторными энергетическими показателями запишем формулы для расчета эффективных показателей
Ne = С ‘ |
i ' Ре ' и', (2.9) |
|
М е = - ‘— |
' Р П ' Г ' Р е . |
( 2 . 1 0 ) |
и ■т |
|
|
Мощность и момент механических потерь могут быть определе ны по формулам (2.9 и 2.10) подстановкой в них вместо р е среднего давления механических потерь.
Эффективная мощность двигателя и среднее эффективное давле ние являются его основными энергетическими характеристиками, ко торые указываются в паспортных данных и, в конечном счете, наряду с экономическими показателями определяют его рыночную стоимость.
46 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
Механический КПД двигателя. Определение эффективных энер гетических показателей двигателя как разности между индикаторным показателем и показателем механических потерь не всегда удобно, по этому в теории ДВС используется механический КПД, представляю щий собой отношение любого эффективного энергетического показа теля к одноименному индикаторному показателю, т.е.
Le |
р е |
М е |
N. |
71т = —- |
= — |
“ Т 7 ' = Т Г . (2.11) |
|
Z, |
Pi |
M t |
N . |
Физический смысл механического КПД заключается в том, что его величина показывает в долях от единицы ту часть полезной меха нической работы (или мощности) двигателя, которая передается по требителю энергии с выходного фланца коленчатого вала.
Формула (2.11) может быть преобразована следующим образом:
N |
' N . - N |
_ 1 |
N |
т |
|
|
е _ |
1 гп |
|
||
Vm ~ N. ~ ' |
N t |
~ |
N i ' ( 2 Л 2 ) |
||
Исследования двигателей различного назначения показали, что мощность механических потерь (ранее было отмечено, что основной частью этих потерь являются потери трения) зависит от частоты вра щения коленчатого вала двигателя и незначительно - от нагрузки (сред него индикаторного давления). Для приближенной оценки Nmможет использоваться эмпирическая формула Nm= А ■пР, где А - эмпиричес кий коэффициент, определяемый для каждого двигателя по результа там испытаний на стенде завода; (3—показатель степени, значения ко торого лежат в пределах 1,0-1,8. Меньшие значения из диапазона от носятся к малооборотным дизелям, большие - характерны для средне- и высокооборотных двигателей с большим числом навешенных ме ханизмов.
Механический КПД двигателя не является постоянной величи ной. Он существенно зависит от нагрузки двигателя. При работе на режиме холостого хода после пуска двигателя или перед его останов кой внешняя нагрузка отсутствует, поэтому Ne = 0, а вся индикаторная мощность двигателя затрачивается на механические потери: Nm = N.. Очевидно, что на этом режиме механический КПД будет равен нулю. Из формулы (2.12) также следует, что при увеличении Nm(износ дета лей) или при уменьшении N. (вследствие ухудшения сгорания топлива) механический КПД будет снижаться. Относительные механические потери в двигателе 8 = NJN ., определяющие величину механического КПД, зависят от конструкции двигателя, частоты вращения и уровня
Гл. 2. Показатели рабочего цикла дизелей |
47 |
его форсировки наддувом. Значения Г]тобычно приводятся для режи ма полной (100%) нагрузки.
Для судовых дизелей характерны следующие значения механи ческого КПД: малооборотные двухтактные rjm= 0,88 -г- 0,94; четырех тактные среднеоборотные г]т= 0,84 0,92; четырехтактные высоко оборотные rjm= 0,75 -н 0,85. Большие значения в указанных диапазонах соответствуют дизелям с высоким наддувом.
Связь между эффективными и индикаторными энергетическими
показателями выразим следующими формулами: |
|
|
|
||||||||||
L |
е |
= Г] |
■L; р |
е |
= г] ■р.; |
N |
= Г) |
■N.; |
М |
= Г) -М . |
(2.13) |
||
|
1т |
v Г |
(т г i |
е |
' т |
г |
е |
’т |
/ |
^ |
' |
||
Эффективные показатели топливной экономичности. Эффек тивный КПД двигателя определяется как отношение теплоты, эквива лентной эффективной работе, полученной в одном цилиндре двигате ля за один цикл Qe = Lg к теплу, выделившемуся при сгорании цикло вой подачи топлива
Эффективный КПД, выраженный в долях от единицы или в %, показывает, какая часть от подведенной к рабочему телу теплоты в процессе сгорания топлива преобразована в эффективную работу.
Удельный эффективный расход топлива —g , кг/(кВтч) —показы вает, сколько кг топлива необходимо израсходовать на получение в дви гателе 1 кВтч эффективной работы
8 е = ^ ~ . |
(2.15) |
е |
|
Эффективные экономические показатели, аналогично индикатор ным показателям, связаны между собой следующими зависимостями:
3600 3600
3600
48 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
Взаимосвязь между эффективными и индикаторными эконо мическими показателями. Разделим почленно уравнения (3.16) на (3.7):
3 6 0 0 -ЛГ,
^Je_ |
\ |
|
|
V; |
3600■ N, |
N , |
откуда rje = Г]. ■Г]т. (2.18) |
GЧQZZ'H
Аналогичным образом получим формулу, связывающую удельные расходы топлива, разделив (2.15) на (2.6):
8е_ |
|
A ^ = _ L |
|
S, |
G 4 |
N c f]m, откуда g e = Ml |
(2.19) |
V , n |
|
||
|
|
|
Согласно полученным зависимостям эффективный КПД двигате ля меньше индикаторного КПД, а удельный эффективный расход, на оборот, больше индикаторного удельного расхода, так как rjm всегда меньше единицы.
Эффективные экономические показатели являются фактически ми характеристиками топливной экономичности двигателя и поэтому приводятся в его паспортных данных (обычно указывается величина ge при стандартном значении QH для дизельного топлива, величину эф фективного КПД можно определить по формуле 2.16). Эти значения соответствуют режимам 100%-й мощности. С изменением нагрузки и оборотов двигателя geи Г) существенно изменяются, главным образом из-за изменения механического КПД.
Значения эффективных экономических показателей судовых ди
зелей составляют: |
|
|
Тип дизеля |
g , Г/кВтч |
rj |
малооборотный 2-тактный |
165-205 |
0,52-0,42 |
среднеоборотный 4-тактный |
170-215 |
0,50-0,40. |
§ 2.4* Тепловой баланс дизеля
Распределение теплоты, выделившейся при сгорании топлива, потребляемого двигателем, определяют путем теплобалансовых испы таний головного двигателя на стенде завода.
Гл. 2. Показатели рабочего цикла дизелей |
49 |
Элементарный тепловой баланс двигателя в абсолютных и отно сительных единицах выражается следующим образом:
Q G = 3600N. + О |
+ О |
; |
||||
-г - 'н |
ч |
|
I |
z - 'o x n |
^ г а з 7 |
|
1 = Г7 |
+ q |
+ а |
, |
(2.20) |
||
|
’ I |
1 охл |
1 га з 7 |
4 |
7 |
|
где QoJ q oJ и Q?a(qxr) - |
потери тепла, связанные с охлаждением ци |
|||||
линдров, и потери тепла с отработавшими газами соответственно. Из формулы (2.20) можно выразить индикаторный КПД: Г]. = 1 -
qoxji + qea3. При достигнутых значениях 77. в современных дизелях по рядка 0,55 на долю тепловых потерь в цилиндре приходится 0,45. Наи более значительной из этих составляющих тепловых потерь в совре менных судовых дизелях является потеря с газами, на ее долю прихо дится более 0,3. Таким образом, величина qoxji не превышает 15%, а для малооборотных дизелей может быть даже меньше 10%.
Часть тепла отработавших газов (q ) используется в турбокомп рессоре для наддува. При охлаждении наддувочного воздуха в возду хоохладителе от температуры за компрессором t до температуры в ресивере t отводится часть этого тепла qm = qmK~ qs, где qs - тепло, определяемое разностью температур в ресивере и на входе в центро бежный компрессор.
Часть тепла газов передается в охлаждающую воду турбокомп рессоров и не учитывается отдельным членом в формуле теплового баланса. Часть тепла через корпус турбокомпрессора теряется с ради ацией в окружающую среду. Основная часть тепла уносится с выпуск ными газами после турбины qmo.
С учетом указанных путей отвода тепла в дизеле с газотурбинным наддувом qaca= qmo+ qm, и уравнение теплового баланса может быть
представлено в виде: |
|
|
|
1 = Г). + q |
+q |
+ q . |
|
1 1 |
1 охл |
1 т о |
1 во |
Механические потери в виде тепла трения передаются охлаждаю щей среде, смазочному маслу, отработавшим газам и не могут быть измеренными при теплобалансовых испытаниях отдельно. Поэтому, используя формулу Г)е = rj ■rjm, выражение для эффективного КПД через составляющие потерь в двигателе можно представить следую щим образом:
Tj |
= (1 - |
q |
- q |
- q |
)r\ . |
(2.21) |
7 |
1e |
v |
1 охл |
1 m o |
1 |
воJ ‘ m |
v |
Уравнения (2.20 и 2.21) показывают, что индикаторный КПД ха рактеризует совершенство преобразования химического тепла топлива в работу газов в цилиндре двигателя, а эффективный КПД - экономич-
4 - 3 6 1 4