2.9 Показатели работы двигателя

Графическая зависимость давления газов в цилиндре от его объема (или хода поршня) представляет собой индикаторную диаграмму (от названия прибора – индикатора, с помощью которого она снимается).

В термодинамике рассматривается диаграмма идеального цикла.

Диаграмма расчетного цикла строится по результатам расчетов, выполненных в курсовом проекте (см. рис. 2.6). На этой диаграмме не отражены процессы газообмена в цилиндре.

Скругленная диаграмма расчетного цикла с достроенными процессами газообмена называется предполагаемой индикаторной диаграммой.

Индикаторная диаграмма, снятая на цилиндре реального дизеля с помощью индикатора называется действительной индикаторной диаграммой (рис. 2.15). На ней индикатор фиксирует и процессы газообмена.

Рис. 2.15. Индикаторная диаграмма реального двигателя

Из термодинамики известно, что площадь диаграммы идеального цикла представляет собой работу, совершаемую газами в цилиндре за цикл. Эта работа совершается при переменном давлении газов в течение всего цикла.

К индикаторным показателям работы дизеля относятся:

p_i - среднее индикаторное давление газов в цилиндре за цикл, МПа;

N_i - индикаторная мощность двигателя, кВт; индикаторная мощность двигателя равна сумме цилиндровых индикаторных мощностей;

g_i - удельный индикаторный расход топлива, ;

- индикаторный КПД двигателя.

Среднее индикаторное давление. В теории и практике дизелей для определения индикаторной работы (мощности) пользуются удобным, но условным показателем – средним индикаторным давлением.

Среднее индикаторное давление – это условное, постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее работу, равную индикаторной работе газов в цилиндре за цикл.

Из определения также следует, что графически давление p_i может быть представлено как высота прямоугольника, основание которого равно рабочему объему цилиндра V_s (ходу поршня S), а площадь равновелика площади действительной индикаторной диаграммы (рис. 2.16). Таким образом, если имеется действительная индикаторная диаграмма (см. рис. 2.15) и нужно по ней определить среднее индикаторное давление, то необходимо найти площадь диаграммы F, мм² ; измерить ее длину l , мм; определить масштаб пружины индикатора m_п, ; вычислить p_i по формуле

Рис. 2.16. Определение среднего индикаторного давления

Среднее индикаторное давление в цилиндре можно определить и по результатам расчета рабочего цикла (обозначим)

Кроме того, среднее индикаторное давление может быть определено непосредственно из индикаторной диаграммы, построенной на основе данных расчета рабочего цикла.

Действительная индикаторная диаграмма отличается от диаграммы расчетного цикла наличием потерянной доли хода поршня ψ_s (в двухтактных дизелях), скруглением диаграммы в т. у, z, отклонением кривых сжатия и расширения от соответствующих условных политроп в расчетном цикле.

Поэтому в теории дизелей вводится понятие коэффициент полноты индикаторной диаграммы или коэффициент скругления индикаторной диаграммы

где - площадь действительной индикаторной диаграммы;

- площадь диаграммы расчетного цикла.

Для двухтактных дизелей =0,96 – 1,0; для четырехтактных = 0,95 – 0,97.

Таким образом, для предполагаемой индикаторной диаграммы можно записать

Индикаторная мощность. Мощность, равная сумме индикаторных работ замкнутого цикла в каждом цилиндре называется индикаторной мощностью N_i двигателя

, кВт

где - диаметр цилиндра, м;

- ход поршня, м;

- частота вращения коленчатого вала, мин^-1;

- коэффициент тактности (для двухтактных дизелей = 1; для четырехтактного = 0,5);

- число цилиндров;

- среднее индикаторное давление, МПа.

Индикаторный коэффициент полезного действия. В термодинамике существует понятие термический КПД цикла, который в процессе преобразования тепла в работу учитывает только принципиально неустранимую потерю тепла холодному источнику.

В реальном двигателе этой потере соответствует потеря тепла с отработавшими газами.

Кроме этой потери тепла в реальном двигателе есть принципиально устранимые потери тепла:

- потери от неполноты сгорания топлива в цикле;

- потери в систему охлаждения двигателя за цикл.

Все тепловые потери в реальном двигателе учитывает индикаторный КПД – это отношение количества тепла, преобразованного в индикаторную работу в цилиндре к количеству тепла, подведенному с топливом для совершения этой работы.

где - индикаторная мощность дизеля; кВт

- часовой расход топлива на дизель;

- низшая теплота сгорания топлива,

Введем понятие – удельный индикаторный расход топлива g_i

,

или через параметры рабочего процесса имеем уравнение экономичности в общем виде

Окончательно имеем

К эффективным показателям работы дизеля относятся:

p_е – среднее эффективное давление, МПа;

N_e – эффективная мощность дизеля, кВт;

g_e – удельный эффективный расход топлива, ;

- эффективный КПД двигателя.

Среднее эффективное давление – это условное постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее работу, равную полезной эффективной работе, передаваемой через выходной фланец коленчатого вала на гребной винт или другой потребитель.

Эффективный КПД двигателя кроме тепловых потерь учитывает все механические потери в двигателе, которые определяются мощностью механических потерь.

Мощность механических потерь – это часть индикаторной мощности двигателя, расходуемая в самом двигателе

где - мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения во всех сопряженных парах двигателя (кольца – цилиндровая втулка; все подшипники, сопряжения газораспределительного механизма и т. д.);

- мощность, затрачиваемая на совершение насосных ходов поршней (в четырехтактных двигателях);

- мощность, затрачиваемая на привод «навешенных» на двигатель механизмов, агрегатов (насосы, регулятор, топливные насосы высокого давления и т. д.);

- мощность, затрачиваемая на вентиляцию в картере, то есть на преодоление сил трения между движущимися деталями и воздухом в картере.

Мощность механических потерь пропорциональна частоте вращения коленчатого вала

где с – показатель степени (для малооборотных двигателей с = 1,0 – 1,2; для высокооборотных - с = 1,5 – 1,6).

Связь между индикаторной мощностью, эффективной мощностью и мощностью механических потерь определяется выражением

При отсутствии внешней нагрузки на двигатель (холостой ход) индикаторная мощность полностью затрачивается на преодоление механических потерь в двигателе

;

Более универсальным параметром, с помощью которого можно оценить механические потери в двигателе является механический коэффициент полезного действия η_мех

Механический КПД η_мех является величиной переменной для двигателя и в основном определяется частотой вращения коленчатого вала и составляет для малооборотных двигателей 0,87 – 0,94, для среднеоборотных 0,84 – 0,92. В практике эксплуатации обычно для определения η_мех пользуются опытными данными из материалов заводских стендовых испытаний.

Величина η_мех необходима для пересчета индикаторных показателей в эффективные:

Эффективная мощность двигателя в заводских условиях определяется на стендах с помощью тормозных устройств, в судовых условиях – с помощью торсиометров по углу скручивания валопровода.