Транспортная энергетика. Методические указания
.pdf
Индикаторныепоказатели
Индикаторные показатели характеризуют совершенство рабочего цикла и учитывают только тепловые потерив двигателе (потери теплоты в охлаждающую жидкость, с отработавшими газами, в моторное масло, в окружающую среду).
Причастотевращенияколенчатоговала(КВ)двигателяn,1/мин, в одном цилиндре двигателя за 1 с совершается n/(30 ) циклов.
Поскольку работа, совершаемая в единицу времени, есть мощность, тосучетомсказанноговышеиндикаторнуюмощностьдвигателя с количеством цилиндров i можно рассчитать по выражению
N i = |
pmiVs in |
, |
(1) |
||
30τ |
|
||||
|
|
|
|||
где pmi – среднее индикаторное давление, МПа; Vs – рабочий объем одногоцилиндра, дм3 (произведение Vsi представляетсобойрабочий
объем многоцилиндрового двигателя).
Пусть двигатель синдикаторноймощностью Ni расходует за1 ч В кг топлива.
Отношение
bi = B / Ni |
(2) |
характеризует экономичность двигателя и называется удельным индикаторным расходом топлива. Часовой расход топлива при работе двигателя на конкретном нагрузочном режиме определяется в условиях испытательного стенда.
Эффективность использования в цикле выделившейся теплоты характеризуется значением индикаторного КПД hi (индикаторного коэффициентаполезного действия). Индикаторный КПД представляет собой отношение количества теплоты, затраченной на совершение индикаторной работы, к количеству теплоты, выделившемуся в цилиндрах двигателя при полном сгорании поданного в них топлива.
Количество теплоты, кДж, выделившееся в цилиндрах двигателя в течение одного часа, определяется из выражения
11
Q = biQн, |
(3) |
где Qн – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг. Количество теплоты, эквивалентное работе 1 кВт 
ч, составля-
ет 3600 кДж (термический эквивалент работы 1 кВт 
ч). Пусть индикаторнаяработа газовв цилиндресоставляет Qi =1кВт
ч (илисоответственно 3600 кДж). Тогда значение индикаторного КПД, характеризующего уровень тепловых потерь в двигателе, можно вычислить с помощью выражения
ηi = Qi |
= |
3600 |
|
|
(4) |
||||||
|
Q |
biQн |
|
|
|
|
|||||
Значение индикаторного КПД можно рассчитать также по фор- |
|||||||||||
муле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ηi = |
α |
|
l0 |
|
pmi |
10 |
3 |
, |
(5) |
||
η |
v |
Q |
|
ρ |
з |
|
|||||
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|||
где –коэффициентизбыткавоздуха; |
v |
–коэффициентнаполнения |
|||||||||
цилиндра свежим зарядом; l0 – теоретическое количество воздуха, |
|||||||||||
необходимое для полного сгорания 1 кг топлива; |
з – плотность све- |
||||||||||
жего заряда в цилиндре к моменту начала сжатия, кг/м3.
Примечание. Множитель 103 в формуле (5) выражает количество дм3 в 1 м3.
Плотность свежего заряда, кг/м3, рассчитывается по формуле
ρз = |
p0 |
, |
(6) |
R T |
|||
|
з 0 |
|
|
где Rз – газовая постоянная (для воздуха Rз = 287 Дж/(кг 
К).
Примечание. Давлениеокружающейсреды вформулу(6) подставляется в паскалях (Па).
При неизвестном значении среднего индикаторного давления и известном значении i выражение (5) можно использовать для вычисления pmi
12
pmi = |
ηi ηv Qн |
ρз |
(7) |
|
α l |
103 |
|||
|
0 |
|
|
|
Эффективныепоказатели
Эффективныепоказатели нарядустепловыми потерямиучитывают также и механические потери, возникающие при передаче работы газов в цилиндре наколенчатыйвал двигателя. К эффективным показателям относятся названные ниже показатели.
Мощность механических потерь Nm. Это мощность, затрачива-
емая на преодоление сопротивлений в узлах трения и подшипниках, наприводвспомогательныхагрегатов(насосов,компрессоров),атакже на совершение тактов выпуска отработавших газов и наполнения цилиндров свежим зарядом в 4-тактных двигателях. Мощность механических потерь можно рассчитать по формуле
Nm = M mω = M m |
πn |
, |
(8) |
|
30 |
|
|
где Mm – момент, затрачиваемый на преодоление механических потерь в двигателе.
Значение Mm можно определить методом прокручивания коленчатоговаласпомощью электродвигателявусловияхиспытательного стенда при частоте вращения и температурном состоянии двигателя, соответствующим его конкретному нагрузочному режиму.
Зная мощность механических потерь, можно рассчитать сред-
нее давление механических потерь, МПа
pmm = |
30Nmτ |
|
(9) |
|
Vsin |
|
|
Величина pmm является условной и характеризует все механические потери в двигателе, отнесенные к одному ходу поршня.
Среднее эффективное давлениеpmе есть условное постоянное из-
быточное давление, которое, действуя на поршень, за один его ход совершает работу, равнуюполезной работе газов в цилиндре за весь цикл.
13
pme = pmi − pmm . |
(10) |
Эффективная мощность Ne. Это полезная мощность, которая передается от двигателя потребителю. При проведении экспериментальных исследований в условие испытательного стенда значение Ne можно рассчитать по формуле
Ne = M eω = M e |
πn |
, |
(11) |
|
30 |
|
|
где Ме –эффективныйкрутящиймоментдвигателяна фланцеотбо-
ра мощности, определяемый с помощью нагрузочного устройства. При известном значении эффективной мощности значение среднегоэффективногодавленияможновычислитьспомощьювыражения
pmе = |
30Nеτ |
|
(12) |
|
Vsin |
|
|
Механический КПД m. При работе двигателя на нагрузочных |
|||
режимах этот показатель характеризует совершенство конструкции двигателя с точки зрения уровня механических потерь при передаче работы газов на коленчатый вал.
|
ηm = Ne = |
pme |
=1− |
pmm |
|
(13) |
|
|
|
||||
|
Ni |
pmi |
pmi |
|
||
Значение |
зависит от свойств материалов и качества поверх- |
|||||
ностей трущихсяm |
деталей, качества смазки, режима работы (при ра- |
|||||
ботедвигателянахолостомходу |
m =0),атакжеиспользуемоговспо- |
|||||
могательного оборудования. |
|
|
|
|
|
|
Знаязначение |
m,сучетомвыражения(7)можновычислитьзна- |
|||||
чение среднего эффективного давления по формуле |
|
|||||
|
pmе = ηm ηi ηv |
|
Qн |
ρз |
(14) |
|
|
|
3 |
||||
|
α l0 |
10 |
|
|
||
14
Эффективный КПД е. Этот показатель представляет собойотношение количества теплоты Qe, затраченного на совершение полезной работы, к количествутеплоты Q, выделившемуся приполном сгорании поданного в цилиндры двигателя топлива.
ηe = |
Qe |
= ηi ηm |
(15) |
|
|||
|
Q |
|
|
С учетом выражений (5) и (15) можно записать |
|
||
ηe = ηm |
α |
|
l0 |
|
pmi |
10 |
3 |
|
(16) |
||
η |
v |
|
Q |
|
ρ |
з |
|
||||
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
||
Пусть двигатель с эффективной мощностью Nе расходует за 1 ч |
|||||||||||
В кг топлива. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отношение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bе = B / Nе |
|
|
|
(17) |
|||||||
характеризует экономичность двигателя и называется удельным эффективным расходом топлива.
Качество процессов очистки цилиндров от отработавших газов инаполненияихсвежимзарядомоцениваетсяпо приведеннымдалее
формулам. |
|
|
|
|
|
|
Коэффициент остаточных газов γr |
можно рассчитать по |
|||||
формуле |
|
|
|
|
|
|
γr = |
T0 +∆T |
pr |
, |
(18) |
||
Tr |
|
εpa −pr |
||||
|
|
|
||||
где ∆T – подогрев свежего заряда к моменту сжатия от стенок впускного тракта и стенок цилиндра, К.
Коэффициент наполнения 
v рассчитывается по выражению
ηv |
= |
ε p a |
|
T 0 |
, |
(19) |
|||
|
|
|
|
|
|||||
ε−1 p 0 |
T 0 +∆T +ψγ r T r |
||||||||
|
|
|
|
||||||
15
где |
–коэффициент,учитывающийразличиевтеплоемкостяхрабочего |
|
тела (свежего заряда)притемпературеT0 + T иостаточных газовпри |
||
температуре Tr . |
|
|
ныp0 |
При расчете значений γr |
и v для двигателя с наддувом величи- |
иT0 ввыражениях(18)и(19)необходимозаменитьвеличинами |
||
pk и Tk. |
зависит отсостава смеси(коэффици- |
|
|
Значение коэффициента |
|
ента избытка воздуха 
) и температуры остаточных газов Tr . Однако
этой зависимостью можно пренебречь и для бензиновых двигателей, работающихпод нагрузкой, принять =1,13. Приэтомпогрешность
расчета значения Тa не превысит 1 %. |
= 1,4 …1,8 можно принять |
Для дизельных двигателей при |
|
= 1,1, а при более высоких значениях |
можно считать = 1. |
Варианты заданий для самостоятельной работы № 2
Варианты заданийдля самостоятельной работы №2 приведены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Исходныеданныедлярасчетапоказателей бензиновогодвигателя
Номер варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
Исходные данные |
|
|
|
Значения исходных данных |
|
|
|
|||||
Мощность двигателя |
51 |
55 |
58 |
62 |
80 |
81 |
85 |
103 |
81 |
62 |
128 |
150 |
Ne, кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Частота вращения |
4800 |
5000 |
5000 |
4750 |
5500 |
4500 |
4500 |
4750 |
4500 |
4300 |
5800 |
6200 |
КВ n, 1/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рабочий объем |
1,796 |
1,971 |
1,971 |
1,971 |
1,998 |
2,461 |
2,461 |
2,792 |
2,461 |
1,968 |
2,792 |
2,792 |
двигателя V, дм3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Механический КПД |
0,78 |
0,77 |
0,77 |
0,76 |
0,75 |
0,83 |
0,85 |
0,80 |
0,83 |
0,84 |
0,74 |
0,72 |
ηm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень сжатия ε |
7,5 |
8,0 |
8,0 |
8,8 |
9,5 |
10,0 |
10,0 |
10,0 |
8,5 |
8,5 |
10,0 |
10,75 |
Подогрев заряда на |
15 |
14 |
14 |
14 |
13 |
14 |
14 |
12 |
15 |
15 |
12 |
10 |
впуске Т, К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,09 |
0,10 |
0,08 |
0,08 |
0,09 |
0,10 |
0,09 |
0,11 |
0,11 |
остаточных газов γr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расход топлива |
15,3 |
15,4 |
17,5 |
18,6 |
24,0 |
24,5 |
25,5 |
30,0 |
25,0 |
18,7 |
38,0 |
45,0 |
двигателем В, кг/ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16
Таблица 4
Исходныеданныедлярасчетапоказателей дизельногодвигателя
Номер варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
Исходные данные |
|
|
|
|
Значения исходных данных |
|
|
|
|||||
Мощность |
51 |
51 |
54 |
|
60 |
70 |
76 |
81 |
85 |
44 |
50 |
57 |
75 |
двигателя Ne, кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Частота вращения |
4600 |
4600 |
4250 |
|
4100 |
3700 |
4200 |
3800 |
3800 |
3700 |
3700 |
3700 |
3500 |
КВ n, 1/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рабочий объем |
1,905 |
1,929 |
2,500 |
1,929 |
2,500 |
2,445 |
2,500 |
2,500 |
1,896 |
1,896 |
2,371 |
2,461 |
|
двигателя V, дм3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Механический |
0,75 |
0,75 |
0,79 |
|
0,77 |
0,82 |
0,80 |
0,81 |
0,86 |
0,82 |
0,82 |
0,82 |
0,83 |
КПД ηm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень сжатия ε |
23,0 |
21,5 |
22,2 |
|
20,0 |
21,0 |
23,0 |
19,0 |
18,5 |
22,5 |
22,5 |
22,5 |
19,5 |
Давление наддува |
– |
– |
– |
|
0,14 |
0,15 |
0,15 |
0,16 |
0,17 |
– |
0,14 |
– |
0,17 |
pk, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура |
– |
– |
– |
|
330 |
355 |
355 |
380 |
400 |
– |
330 |
– |
400 |
наддувочного |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
воздуха Тk, К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подогрев заряда на |
15 |
15 |
16 |
|
17 |
16 |
15 |
14 |
12 |
18 |
16 |
18 |
12 |
впуске Т, К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент из- |
1,45 |
1,60 |
1,50 |
|
1,70 |
1,65 |
1,50 |
1,75 |
1,80 |
1,50 |
1,55 |
1,50 |
1,70 |
бытка воздуха α |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент оста- |
0,04 |
0,05 |
0,04 |
|
0,03 |
0,02 |
0,05 |
0,03 |
0,04 |
0,06 |
0,04 |
0,06 |
0,03 |
точных газов γr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расход топлива |
10,5 |
10,5 |
11,0 |
|
13,0 |
15,0 |
15,8 |
16,2 |
17,0 |
9,0 |
10,0 |
12,0 |
15,0 |
двигателем В, кг/ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17
Рекомендуемаялитература
1.Степанов В. Н. Автомобильные двигатели [Текст]: учеб. пособие / В. Н. Степанов; СПбГАСУ. – СПб., 2005. – 119 с.
2.ГригорьевВ.Г.Испытаниеавтомобильныхдвигателей[Текст]:учеб. пособие / В. Г. Григорьев, В. Н. Степанов; СПбГАСУ. – СПб., 2012. – 112 с.
3.Колчин А. И.Расчетавтомобильныхитракторныхдвигателей[Текст]: учебник для втузов / А. И. Колчин, В. П. Демидов. – М.: Высшая школа, 2010. – 400 с.
18
Оглавление |
|
Введение ............................................................................................................... |
3 |
Самостоятельная работа № 1. Расчет параметров рабочего тела |
|
в характерных точках термодинамических циклов........................................... |
4 |
Расчет параметров рабочего тела в процессе сжатия |
|
и расширения .................................................................................................. |
6 |
Варианты заданий для самостоятельной работы № 1 ................................. |
9 |
Самостоятельная работа № 2. Расчет эффективных и индикаторных |
|
показателей автомобильного двигателя ........................................................... |
10 |
Варианты заданий для самостоятельной работы № 2 ............................... |
16 |
19
ТРАНСПОРТНАЯЭНЕРГЕТИКА
Методические указания
Составитель Степанов Владимир Николаевич
Редактор О. Д. Камнева Корректор К. И. Бойкова Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 20.06.13. Формат 60 84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 300 экз. Заказ 70. «С» 31.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
20