Эффективные показатели работы двигателя определение

Основы теплотехники

Энергетические и экономические показатели работы ДВС

Действительная индикаторная диаграмма

Полезная работа, которую совершает поршень при перемещении внутри цилиндра, получается в результате частичного преобразования теплоты при сгорании топлива. Эту работу называют индикаторной.
Индикаторная работа соответствует площади, заключенной между кривой сжатия и кривой расширения на индикаторной диаграмме (рис. 1).
Площадь на индикаторной диаграмме, заключенная между кривыми впуска и выпуска, соответствует работе, затраченной на процесс газообмена (насосные ходы поршня). Как известно, точки с и z‘, полученные на расчетной индикаторной диаграмме, не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате предварительного открытия клапанов и запаздывания их закрытия относительно ВМТ и НМТ поршня часть площади, соответствующей индикаторной работе, выпадает из индикаторной диаграммы (пунктирная линия b’bb”).

В результате площадь действительной индикаторной работы (сплошные линии) оказывается меньше расчетной (штриховые линии).
Для получения действительной индикаторной диаграммы используют коэффициент скругления φi . Значения коэффициента скругления в зависимости от типа четырехтактного двигателя могут принимать значения от 0,92 до 0,97.

Индикаторные показатели

Индикаторными показателями называют показатели, характеризующие работу, совершаемую газами в цилиндре двигателя. Эти показатели определяют эффективность использования рабочего объема двигателя и степень преобразования выделяемой теплоты в полезную работу внутри цилиндров.
К индикаторным показателям относятся:

  • индикаторная мощность Ni ;
  • среднее индикаторное давление pi ;
  • индикаторный КПД ηi ;
  • удельный индикаторный расход топлива gi .

Среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление – это условное постоянное по величине избыточное давление, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает работу, равную работе газов за весь цикл:

где Li – работа газов за один цикл в одном цилиндре двигателя; pi – среднее индикаторное давление; F – площадь поршня; S – ход поршня; Vh – рабочий объем цилиндра.

Тогда можно записать:

Т. е. среднее индикаторное давление численно равно работе газов за цикл, отнесенной к единице рабочего объема. Таким образом, этот показатель оценивает степень эффективности использования объема цилиндра.

Значения pi могут быть получены расчетным путем или по индикаторным диаграммам. При расчете используют параметры характерных точек расчетных циклов. При этом работа расчетного цикла может быть выражена как разность работ расширения и сжатия:

где L’yz + L’zb — индикаторная работа расширения расчетного цикла двигателя, L’ac – работа сжатия.

Так как работа (и среднее индикаторное давление) действительных циклов на самом деле меньше, чем расчетных циклов, то с учетом коэффициента скругления φi индикаторной диаграммы:

С помощью индикаторной диаграммы можно найти среднее индикаторное давление, обозначив индикаторную работу через площадь Fi :

где mр – масштаб диаграммы по оси ординат; l – длина диаграммы по оси абсцисс.

Индикаторная мощность

Индикаторная мощность Ni – это мощность, которая развивается газами внутри цилиндра. В общем случае мощность – это скорость выполнения работы, т. е. работа, совершаемая в единицу времени. Работа газов в цилиндрах двигателя за 1 мин рассчитывается по формуле:

где n – частота вращения коленчатого вала; τ – число тактов; i – число цилиндров.

Тогда работа, совершаемая газами за 1 сек, т. е. индикаторная мощность будет равна:

Индикаторный КПД

Индикаторный КПД ηi – это отношение теплоты, преобразованной в индикаторную работу Qi к общему количеству теплоты затраченного топлива Q1 :

где Gтц – цикловая подача топлива; Hи – низшая теплотворная способность топлива.

Индикаторные КПД характеризует экономичность действительного цикла. Он всегда меньше термодинамического КПД вследствие дополнительных потерь в действительном цикле, которые не учитываются при определении ηi . К таким потерям относятся теплоотдача в стенки цилиндра, потери на неполноту и несвоевременность сгорания топлива, на диссоциацию (распад) продуктов сгорания.

Для оценки степени уменьшения использования теплоты в действительном цикле по сравнению с термодинамическим циклом используют относительный КПД ηo :

Индикаторный удельный расход топлива

Другим показателем, характеризующим экономичность действительного цикла, является индикаторный удельный расход топлива gi :

где Gт – часовой расход топлива.

Удельный индикаторный расход топлива и индикаторный КПД связаны между собой отношением:

Из уравнения (6) получим:

Подставив это выражение в уравнение (2), получим:

Выразив цикловую подачу топлива в зависимости от цикловой подачи воздуха и коэффициента избытка воздуха, и подставив эти выражения в предыдущее уравнение, получим:

Читать еще:  Что характеризует плотность топлива для реактивных двигателей

Факторы, влияющие на индикаторные показатели

На индикаторные показатели оказывают влияние следующие факторы:

1. Топливо

Изменение фракционного состава топлива в зависимости от способа смесеобразования приводит к ухудшению или улучшению индикаторных показателей.

2. Состав смеси

Для дизельных и карбюраторных двигателей состав смеси оказывает различное влияние (рис. 2).
У карбюраторного двигателя наибольшее значение индикаторного КПД достигается при α = 1,05…1,1, когда имеет место полное и достаточно быстрое сгорание топлива.
У дизелей вследствие недостатков внутреннего смесеобразования топлива полностью сгорает при α = 2,5…4,0, чему способствует наибольшее значение индикаторного КПД. Уменьшение коэффициента избытка воздуха от указанных значений приводит к недогоранию топлива, увеличению тепловых потерь с воздухом, не участвующим в горении.

3. Угол опережения зажигания

С увеличением угла опережения зажигания увеличивается максимальное давление сгорания, «жесткость» работы, потери теплоты в окружающую среду. При позднем зажигании процесс сгорания смещается на процесс расширения, из-за чего падает давление и с ним индикаторная работа. Поэтому КПД снижается при любом отклонении угла опережения зажигания от оптимального.

4.Частота вращения коленчатого вала

Рост частоты вращения коленчатого вала приводит к увеличению индикаторного КПД, поскольку сокращается время цикла и суммарная теплоотдача в стенки цилиндров. Однако при некоторых максимальных значениях частоты вращения коленчатого вала индикаторный КПД падает, так как догорание топлива все более завершается на линии расширения (по индикаторной диаграмме).

5. Нагрузка

У карбюраторных двигателей наибольшие значения индикаторного КПД соответствуют средним нагрузкам при экономичном составе смеси 1,05 α α α , чем дизели с однополостными камерами сгорания. Поэтому, несмотря на меньшую величину индикаторного КПД, среднее индикаторное давление двигателей с раздельными камерами сгорания не уступает среднему индикаторному давлению двигателей с неразделенной камерой сгорания.

7. Степень сжатия

Степень сжатия влияет на индикаторный КПД также, как и на термодинамический КПД, поэтому при проектировании двигателей стремятся к увеличению степени сжатия. Однако у карбюраторных двигателей увеличение степени сжатия ограничено детонацией. У дизельных двигателей индикаторный КПД при увеличении степени сжатия более некоторых оптимальных значений будет изменяться незначительно.

8. Климатические условия (окружающая среда)

При увеличении температуры окружающей среды и снижении давления уменьшается наполнение цилиндров по массе. При неизменной подаче топлива уменьшается коэффициент избытка воздуха, что ведет к снижению показателей индикаторного КПД и индикаторного давления.

Основные показатели работы двигателя. Прямые и косвенные признаки, дающие возможность определить качество работы двигателя на слух и визуально.

Основные показатели работы двигателя. К ним относят мощность, экономичность и коэффициент полезного действия (КПД|Ш

Большая часть тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, превращается в механическую. Сила давления газов, действующая на поршень, передается через шатун на кривошип, создавая вращающий момент на коленчатом валу двигателя. .

Мощность — это работа, выполненная в единицу времени. Единица измерения мощности двигателя трактора — киловатт (кВт). Различают индикаторную и эффективную мощность дви­гателя.

Индикаторная мощность — это мощность, развиваемая сгора­ющими газами внутри цилиндра работающего двигателя.

Эффективная мощность — мощность, получаемая на коленча­том валу двигателя. За счет тепловых потерь и затрат на работу эф­фективная мощность меньше индикаторной на 20. 30% (мощ­ность затрачивается на преодоление сил трения в механизмах дви­гателя и приведение в действие вспомогательных устройств — на­сосов, вентилятора, генератора и др.). На повышение мощности двигателя могут влиять увеличение эффективного давления газов в цилиндре, литраж, частота вращения коленчатого вала, это сле­дует из формулы эффективной мощности двигателя

#в = /Л»(30т), где ре— эффективное давление газов (для четырехтактных дизе­лей ре= 0,5. 0,8 МПа); V„— литраж, л; п —частота вращения ко­ленчатого вала, с» 1 ; т — тактность двигателя (число ходов поршня, за которые совершается рабочий цикл; для четырехтактных дви­гателей т = 4, для двухтактных т = 2).

Из формулы эффективной мощности двигателя видно, что при неизменных ъире она зависит от литража и частоты вращения ко­ленчатого вала. С увеличением литража увеличиваются размеры двигателя. Чем выше тяговый класс трактора, тем больше литраж его двигателя, имеющего большую мощность.

Экономичность работы двигателя характеризуется удельным расходом топлива, который определяют делением часового рас­хода топлива на эффективную мощность двигателя. Удельный расход топлива в дизелях, применяемых на тракторах, не более 265 г/(кВтч). При изношенных, разрегулированных или недоста­точно смазанных трущихся деталях мощность уменьшается и эко­номичность снижается.

Механический КПД двигателя — отношение эффективной мощ­ности к индикаторной — зависит в основном от качества обработ­ки деталей,/смазывания трущихся деталей и правильности сборки двигателя. В среднем значения механического КПД колеблются в пределах 0,7. 0,8.

Общее устройство дизелей. Все дизели, устанавливаемые на трак­тор, состоят из механизмов и систем, выполняющих определен-t ные функции, в частности:

кривошипно-шатунный механизм преобразует пря­молинейное движение поршней во вращательное движение колен­чатого вала;

механизм газораспределения управляет работой кла­панов, что позволяет в определенных положениях поршня впус­кать воздух в цилиндры и удалять оттуда отработавшие газы;

система питания обеспечивает подачу в определенный момент воздуха и отмеренных порций топлива в распыленном со­стоянии в цилиндры двигателя;

смазочная система необходима для непрерывной пода­чи масла к трущимся деталям и отвода от них теплоты;

система охлаждения предохраняет стенки камеры сго­рания и детали дизеля от перегрева и поддерживает в них нормаль­ный тепловой режим;

система пуска нужна для проворачивания коленчатого вала с определенной частотой вращения во время пуска. Расположение основных агрегатов систем на тракторном дизе­ле Д-243 показано на рис. 6.

3.7. Эффективные показатели двс

Часть индикаторной мощности, развиваемой продуктами сгорания, расходуется в самом двигателе и не может быть использована, т.к. эта мощность тратится на обеспечение работы двигателя. Эта мощность называется мощностью механических потерь и слагается из следующих:

Nтр – потери мощности на трение, которые составляют бóльшую часть механических потерь. Эти потери вызываются трением во всех сопряженных парах: поршневые кольца – цилиндр, шейки распределительного и коленчатого валов – подшипники и т.д. К возрастанию потерь индикаторной мощности приводит также ухудшение технического состояния двигателя, нарушение нормальной работы систем смазки и охлаждения и т.д.

Nнас – потери мощности на совершение насосных ходов – в двухтактных двигателях отсутствуют.

Nвсп – потери мощности на привод навешенных механизмов двигателя, без которых работа двигателя невозможна – это потери на привод регулятора частоты вращения, топливного, масляного и водяного насосов, воздушного компрессора (если он приводится в действие от двигателя).

Nвент – потери мощности на вентиляцию – учитывают расход мощности на трение между движущимися деталями и воздухом. Эта потеря растет с увеличением частоты вращения двигателя.

Очевидно, что механические потери должны представлять сумму перечисленных потерь, т.е.

Nм=Nтр + Nнас + Nвсп + Nвент. (8)

Механические потери оцениваются также средним давлением механических потерь рм и механическим КПД ηм.

рм – условное постоянное давление, на преодоление действия которого на поршень в течение одного хода затрачивалась бы работа, равная работе механических потерь одного цикла.

После рассмотрения механических потерь целесообразно перейти к эффективным показателям ДВС, к которым относятся среднее эффективное давление ре, эффективная мощность Nе, эффективный КПД ηе, и удельный эффективный расход топлива bе.

Средним эффективным давлением ре называется среднее условное постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее работу, эквивалентную полезной эффективной работе, передаваемой через выходной фланец коленвала на винт или другой потребитель.

Из выше приведенного в этом параграфе материала следует, что среднее эффективное давление должно учитывать кроме тепловых все механические потери и должно определяться формулой

ре = рi – рм. (9)

Эффективная мощность, так же как и ре, учитывает тепловые и механические потери. Поэтому

Nе = Ni – Nм. (10)

Для перехода от Ni к Nе используется механический КПД ηм, значение которого является паспортной величиной двигателя и по результатам стендовых испытаний известно для всех основных режимов

Nе = Ni ηм. (11)

По аналогии с Ni формула для определения Nе выглядит следующим образом:

. (12)

Также по аналогии с индикаторным КПД

, (13)

где – удельный эффективный расход топлива в кг/кВт·ч.

Между рассмотренными КПД двигателей существует зависимость

. (14)

Следует отметить, что если bi и Ni являются расчетными величинами, bе и Nе определяются непосредственными измерениями. Опытные значения удельного эффективного расхода топлива и эффективного КПД приведены в таблице 1.

Технико-экономические показатели работы двигателей

Как известно, мощность — это работа, совершенная в единицу времени. Кроме эффективной мощности для оценки технико-экономической эффективности двигателей используют индикаторную мощность Ni.

Индикаторная мощность — это мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя.

Эффективная мощность меньше индикаторной вследствие того, что часть последней затрачивается на преодоление механических потерь в двигателе:

Мощность механических потерь Nm учитывает затраты части индикаторной мощности на преодоление сопротивлений трения движущихся деталей и приведение в действие вспомогательных устройств двигателя — масляного и водяного насосов, вентилятора, генератора, топливного насоса и др.

Механический коэффициент полезного действия двигателя (КПД) — отношение эффективной мощности к индикаторной:

При работе на номинальном режиме, т. е. при полном использовании мощности Ne, КПД автотракторных двигателей составляет 0,75…0,88. У дизелей КПД меньше, чем у карбюраторных двигателей, так как из-за более высокой степени сжатия выше затраты мощности на трение движущихся деталей.

Массу топлива, расходуемую двигателем при определенной загрузке в течение 1 ч, называют часовым расходом топлива GT (кг/ч). Топливную экономичность различных двигателей оценивают по удельному расходу топлива ge (г/(кВт-ч)), под которым подразумевают массу топлива в граммах, расходуемую за 1 ч на создание единицы эффективной мощности:

Номинальное значение ge современных автотракторных четырехтактных карбюраторных двигателей находится в пределах 280…300 г/(кВт-ч), а у дизелей — в пределах 220…260 г/(кВт-ч), т. е. дизели более экономичные, чем карбюраторные двигатели, за счет более высокой степени сжатия. Чем выше степень сжатия, тем экономичнее двигатель.

Применение на ряде современных бензиновых двигателей вместо карбюратора системы с впрыском топлива во всасывающий коллектор или непосредственно в цилиндр обеспечивает снижение ge по сравнению с карбюраторными двигателями. Наименее экономичными являются двухтактные двигатели, так как у них цилиндры продуваются горючей смесью, из-за чего часть ее уходит с отработавшими газами. Кроме того, их цилиндры хуже очищаются от продуктов сгорания.

Эффективность работы различных двигателей сравнивают не только по топливной экономичности, но и по литровой мощности и удельной массе.

Литровая мощность Nл — это отношение эффективной мощности Ne к рабочему объему двигателя, показывающее, насколько эффективно используется рабочий объем. Чем больше литровая мощность при других равных условиях, тем меньше габаритные размеры и масса двигателя. У тракторных дизелей Nл = 11…20 кВт/л.

Современная тенденция развития автотракторных двигателей характеризуется увеличением их полной эффективной и литровой мощностей, снижением удельного расхода топлива и масел, уменьшением металлоемкости и токсичности выбросов отработавших газов, повышением надежности и долговечности. Этим объясняется широкое применение дизелей с турбонаддувом, имеющим промежуточное охлаждение воздуха, поступающего в цилиндры, для повышения наполнения их воздухом. Многие зарубежные бензиновые двигатели вместо карбюраторов оснащают системой впрыска топлива, работающей в автоматическом режиме совместно с системой зажигания, что обеспечивает оптимальный режим работы обеих систем, повышение мощности и снижение расхода топлива, а также уменьшение токсичности выбросов отработавших газов. Такие «инжекторные» двигатели устанавливают и на некоторых отечественных легковых автомобилях.

Технико-экономические показатели двигателей определяют на специальных обкаточно-тормозных стендах, на которых замеряют загрузку двигателя и частоту вращения его коленчатого вала. По загрузке (показанию силоизмерительного механизма) определяют вращающий момент двигателя Мвр (Нм) как произведение силы на плечо ее приложения относительно оси вращения коленчатого вала. Частоту вращения этого вала n (мин-1) замеряют тахометром. Эффективную мощность двигателя рассчитывают по формуле:

Технико-экономические показатели при различных режимах работы (частоте вращения и нагрузке) оценивают по характеристикам. Характеристики — это графические выражения зависимости одного или нескольких показателей работы двигателя от другого независимого показателя. Характеристики строят по результатам испытаний двигателя на тормозном стенде.

Наиболее эффективно двигатель работает на режиме максимальной мощности. Частоту вращения коленчатого вала и вращающий момент двигателя на этом режиме называют номинальными. Недогрузка двигателя существенно влияет на производительность и топливную экономичность тракторов и автомобилей. Так, удельный расход топлива интенсивно растет при уменьшении Ne от максимального значения до нуля.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector