Литература по Механике и для Механиков / Литература / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

Глава 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

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

Таким образом, индикаторные экономические показатели между собой связаны обратно пропорциональной зависимостью. Формулу (2.7) можно решить относительно g.

3600

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

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

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 =

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

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.

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.

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:

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

Взаимосвязь между эффективными и индикаторными эконо­ мическими показателями. Разделим почленно уравнения (3.16) на (3.7):

3 6 0 0 -ЛГ,

GЧQZZ'H

Аналогичным образом получим формулу, связывающую удельные расходы топлива, разделив (2.15) на (2.6):

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

§ 2.4* Тепловой баланс дизеля

Распределение теплоты, выделившейся при сгорании топлива, потребляемого двигателем, определяют путем теплобалансовых испы­ таний головного двигателя на стенде завода.