силовые агрегаты / Лекция 5 отп

Дисциплина Силовые агрегаты

Лекция 5

Эффективные показатели двигателя

Учебные вопросы:

1. Механические потери в двигателе.

2. Эффективная мощность и механический к.п.д. двигателя

3. Экономичность и к.п.д. двигателя.

4. Тепловой баланс двигателя.

1. Механические потери в двигателе

Часть индикаторной работы затрачивается на трение в сопря­женных движущихся деталях двигателя, совершение процесса газообмена и приведение в действие вспомогательных механизмов. В работающем двигателе трение возникает между цилиндром и пор­шнем с поршневыми кольцами, коленчатым валом и подшипни­ками; между маховиком и кривошипами коленчатого вала и возду­хом (вентиляционные потери); между другими вращающимися и движущимися деталями и их опорами и направляющими (напри­мер, распределительный вал и его опора, шестерни передач и т. п.).

При работе автомобильного двигателя без нагрузки (например, при выключенном сцеплении) вся индикаторная работа затрачи­вается на трение, приведение в действие вспомогательных механиз­мов и газообмен. При работе двигателя под нагрузкой величина потерь несколько меняется из-за изменения теплового режима и действия сил газов.

Введем следующие обозначения:

N_тр – мощность, затрачиваемая на трение;

N_вм – мощность, затрачиваемая на привод вспомогательных механизмов (водяного и масляного насосов, вентиля­тора, генератора и т. п.);

N_газ – мощность, затрачиваемая на впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов из цилиндра двигателя (учитывается только в четырехтактных двигателях);

N_к – мощность, затрачиваемая на приведение в действие компрессора (двигатели с наддувом и двухтактные); эта мощность учитывается в случае механической связи компрессора и коленчатого вала двигателя.

Сумма всех затрат мощности называется мощностью механи­ческих потерь

(1)

Подобно индикаторной мощности, мощность механических по­терь N_м можно определить по выражению:

(2)

или

(3)

где р_м – среднее давление механических потерь, т. е. часть сред­него индикаторного давления, затрачиваемого на механические потери в бар [уравнение (2)] или в кГ/см² [уравнение (3)];

- рабочий объем цилиндра;

i – число цилиндров;

n – число оборотов коленчатого вала в секунду;

τ – тактность двигателя, т.е. число ходов поршня за рабочий цикл.

р_тр, р_в._м, р_газ и р_к – доли среднего индикаторного давления, расходуемые соответственно на трение, привод вспомогательных механизмов, газообмен и привод компрессора.

Из общей доли механических потерь при работе двигателя без компрессора большая часть (около 70%) приходится на трение поршня и поршневых колец о стенки цилиндра и коленчатого вала в подшипниках.

Потери на газообмен в четырехтактных двигателях без наддува определяются заштрихованной площадью b₁rab₁ (рис. 1).

Рисунок 1 Работа, затрачиваемая на газообмен в четырехтактном двигателе

Приближенно долю среднего индикаторного давления, затрачен­ную на газообмен, можно подсчитать по уравнению:

где - давление в точке r (рис. 1);

- атмосферное давление.

Затрата мощности на приведение в действие компрессора зави­сит от его типа, к. п. д. и количества подаваемого им воздуха и подсчитывается по специальным формулам.

Мощность механических потерь зависит от типа двигателя, диа­метра цилиндра, хода поршня, скоростного и нагрузочного режи­мов и условий эксплуатации. На основании испытаний четырех­тактных двигателей было установлено, что сумма р_тр + р_{е м} + р_газ = р_м зависит от скоростного режима двигателя:

(4)

где а и – постоянные коэффициенты, зависящие от типа дви­гателя;

– средняя скорость движения поршня в м/сек;

(S – ход поршня в м; п – число оборотов коленчатого вала в минуту.

Для четырехтактных двигателей с искровым зажиганием

(5)

Мощность механических потерь зависит также от температуры охлаждающей воды и масла в двигателе. При увеличении до из­вестного предела температуры масла и воды, охлаждающей дви­гатель, потери на трение снижаются. Чрезмерное повышение тем­пературы приводит к разрушению масляной пленки и возникнове­нию полусухого трения.

Температуры охлаждающей воды и масла, при которых следует эксплуатировать двигатель, указываются в технических условиях.

2. Эффективная мощность и механический к.п.д. двигателя

Мощность, которая может быть получена на коленчатом валу двигателя и использована для приведения в действие рабочей машины, называется эффективной мощностью и обозначается через N_е.

Эффективная мощность равна разности индикаторной мощности и мощности механических потерь:

(6)

Величину эффективной мощности подсчитывают по формуле:

(7)

или

где бар или кГ/см² (8)

Величина р_е называется средним эффективным давлением; подобно среднему индикаторному давлению

Она представляет собой работу цикла, приходящуюся на едини­цу объема цилиндра., и является таким условным постоянно дей­ствующим давлением, при котором работа газов, произведенная за один ход поршня, равна эффективной работе за цикл.

Долю индикаторной мощности, соответствующую механическим потерям, определяют по величине механического к.п.д.

(9)

или

(10)

На рисунке 2 показана зависимость механического к.п.д. от нагрузки двигателя. На оси абсцисс отложены средние индикаторное и эффективное давления цикла, причем последнее характеризует нагрузку двигателя. При холостом ходе двигателя . В этих условиях эффективная мощность, среднее эффективное давление и механический к.п.д. равны нулю. По мере увеличения нагрузки механический к.п.д. растет, достигая наибольшего значения при полной нагрузке двигателя.

Рисунок 2 Зависимость механического к.п.д. от нагрузки двигателя

Эффективную мощность, механические потери и механический к.п.д. определяют при испытании двигателя на тормозном стенде.

3. Экономичность и к.п.д. двигателя

Одним из основных показателей, характеризующих качество двигателя, является расход топлива, или его экономичность.

При испытании двигателя на стенде на заданном установившем­ся режиме {N_i = соnst, р_i = соnst и п = соnst) измеряют коли­чество топлива, израсходованного при соответствующей мощ­ности. По результатам замера определяют часовой расход топ­лива G_Т в кг.

Экономичность двигателя оценивают по количеству топлива в граммах, израсходованного на 1 квт· ч или 1л.с.·ч. эту величину называют удельным расходом топлива:

(11)

Эффективный удельный расход топлива:

(12)

или

(13)

так как

в формулах (11), (12) и (13) мощность выражается в кВт. При расчете в старой системе единиц, формулы имеют тот же вид, но величины и выражают в л.с. и тогда и имеют размерность г/(л.с.ч).

Если известен индикаторный удельный расход топлива, то индикаторный к.п.д.:

(14)

где 3600 кдж/(квт·ч) – переводной коэффициент; Н_и в Мдж/кг и g_i в г/(квт·ч).

Индикаторный к.п.д. меньше термического к.п.д. из-за дополнительных потерь, возникающих вследствие несовершенства цикла. Эти дополнительные потери оцениваются относительным к.п.д. С учетом размерностей, принятых в уравнении (14), относительный к.п.д.:

(15)

Откуда (16)

Оценка доли теплоты, превращенной в эффективную работу, производится по эффективному к.п.д. Если выразить Н_и в Мдж/кг, g_е в г/(квт·ч), то

(17)

По приведенным выше формулам можно определить удельный расход топлива, если в результате испытаний двигателя известны часовой расход топлива и мощность.

4. Тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс двигателя получают на основании исследо­ваний его в различных условиях.

Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

(18)

^ггде – общее количество теплоты, израсходованной в единицу времени при работе двигателя на заданном режиме;

– теплота, эквивалентная эффективной работе двига­теля;

– теплота, отданная в охлаждающую среду;

– теплота, унесенная из двигателя с отработавшими газами;

– не использованная часть теплоты топлива из-за

неполноты сгорания;

– остаточный член баланса, определяющий потери, не учтенные приведенными выше членами уравнения баланса теплоты.

Каждую составляющую баланса можно определять в процен­тах от всего количества введенной теплоты.

Тогда

; ; ; ; .

Очевидно, что

(19)

Общее количество теплоты, израсходованной в течение 1 ч:

(20)

где - часовой расход топлива в кг/ч.

Теплота, эквивалентная эффективной работе

(21)

Теплоту, передаваемую охлаждающей среде через стенки цилиндров, головку цилиндров. Поршень и поршневые кольца, можно определить при водяном охлаждении по уравнению:

(22)

где 4,186 – теплоемкость воды в кдж/(кг·град);

- количество воды, прошедшее через двигатель за 1 ч, в кг;

- температура выходящей из двигателя воды в º С;

- температура входящей из двигателя воды в º С.

Теплота, унесенная с отработавшими газами:

(23)

где - количество теплоты, унесенной из цилиндра вместе с отработавшими газами за 1 ч, в кдж/ч;

- количество теплоты, введенной в цилиндр двигателя вместе со свежим зарядом за 1 ч, в кдж/ч;

- температура отработавших газов, замеренная за выпускным патрубком, в º С;

- температура свежего заряда, поступившего в цилиндр, , в º С.

Величину при α ≥ 1 обычно отдельно не подсчитывают, а включают в , который можно определить следующим образом:

(24)

На рисунке 3 приведен тепловой баланс карбюраторного двигателя в зависимости от числа оборотов при работе с полностью открытой дроссельной заслонкой.

Рисунок 3 Тепловой баланс карбюраторного двигателя

7