Эффективные показатели работы двигателя

Лекция №6

Эффективные показатели работы двигателя.

К эффективным показателям относятся: мощность , среднее значение , эффективный К.П.Д. , эффективные расходы топлива – часовой , кг/ч и удельный , ч/л.с.ч.

Эффективная работа будет всегда меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е. на величину насосных потерь и на величину работы, затрачиваемой на преодоление трения в соответствующих узлах и на привод обслуживающих двигатель вспомогательных механизмов.

;

где  - среднее давление механических потерь. Механические потери оцениваются величиной мощности механических потерь  и значением механического К.П.Д. :

Механические потери являются частью индикаторной мощности, расходуемой в самом двигателе. В связи с этим необходимо величину этих потерь снижать до минимума.

Рекомендуемые материалы

Мощность механических потерь является суммой следующих составляющих:

где  - потери на преодоление трения,

 - насосные потери,

 - потери на привод в действие различных механизмов,

 - потери на привод компрессора,

 - вентиляционные потери.

Величина  будет возрастать при уменьшении .

На режимах полных нагрузок значение  будет максимальным, но на частичных нагрузках  уменьшается и , т.к. величина  при изменении нагрузки практически изменяется мало.

Для автотракторных двигателей по книге Дьяченко

Для дизелей КДМ-35 (n = 1400 об/мин) из всей мощности трения на трение в кривошипно-шатунном механизме приходится 74,12%, на привод вентилятора – 13,15%.

Для оценки экономичности работы двигателя в целом используется эффективный К.П.Д. и эффективный расход топлива.

Эффективный К.П.Д.  представляет собой отношение теплоты, эквивалентной эффективной работе, к теплоте, затраченной на получение этой работы.

Таким образом,  учитывает как тепловые, так и механические потери в двигателе.

;

;

,

где 3600 – термический эквивалент работы, кДж.

 - удельный эффективный расход топлива в кг/(л.с.ч.) или м³/(л.с.ч.)

По данным книги Дьяченко для существующих двигателей и  могут иметь следующие величины:

Расходы топлива г/л.с.ч. получены в тихоходных двухтактных судовых дизелях, работающих с пониженным наддувом, когда ÷8,5 кг/см² и n = 100÷120 об/мин. В четырехтактных дизелях средней быстроходности расходы топлива могут понижаться до = 140÷145г/л.с.ч., но при высоком наддуве, когда =15÷20 кг/см² (1,47÷1,96 МПа).

Повышение удельной мощности двигателей.

Мощность двигателя можно повысить, увеличивая размеры и рабочий объем двигателей; однако при этом возрастает их масса и габаритные размеры. Необходимо повышать мощность двигателя без увеличения его габаритных размеров и массы.

Увеличение размеров цилиндра и их числа обычно имеет ограничения. В настоящее время по производственным соображениям максимальные размеры диаметра цилиндра не превышает 1000мм (в настоящее время достигнут предел в 1060мм). Обычно применяемые диаметры цилиндров для тронковых двигателей 80÷600мм, а для крейцкопфных 500÷1060мм. При этом для цилиндров малых размеров характерно переохлаждение камеры сгорания вследствие неблагоприятных соотношений между поверхностью и объемом камеры сгорания, а для цилиндров больших диаметров – высокая тепловая напряженность камеры сгорания и особенно поршня. Поэтому уже при диаметре цилиндра 200÷300мм необходимы конструктивные мероприятия по специальному охлаждению поршней.

Применение диаметров цилиндров для дизелей менее 65мм влечет за собой непреодолимые трудности по организации хорошего процесса смесеобразования.

При сохранении быстроходности двигателя динамические силы в случае увеличения размеров поршня могут превысить допустимые пределы, поэтому необходимо снижать число оборотов коленвала. При = 900÷1000мм  n не превышает 120об/мин. Увеличение числа цилиндров при сохранении их размеров и числа оборотов коленвала тоже имеет предел. В случае объединения в одном агрегате большого числа цилиндров (иногда оно достигает 50 и более). Конструкция двигателя становится очень сложной и его эксплуатация чрезмерно. При большом числе цилиндров трудно заметить ухудшение работы одного или даже нескольких цилиндров.

Увеличение числа оборотов двигателя ограничивается для каждого размера поршня возникающими силами инерции. Для двигателей гоночных автомобилей с = 50÷60мм удается достичь n = 10000÷12000 об/мин. Для серийных автомобильных двигателей в настоящее время = 4500÷5500 об/мин. Поэтому повышение мощности двигателя стремятся достигнуть улучшением использования рабочего объема двигателя и увеличением его литровой или поршневой мощности.

Увеличение литровой мощности при неизменном числе оборотов можно достичь следующими способами:

а) повышение Е;

б) улучшение коэффициента наполнения ;

в) увеличением массового заряда цилиндра;

г) использованием энергии выпускных газов

д) применением комбинированных схем двигателя.

Повышение степени сжатия.

При этом можно повысить среднее индикаторное давление. Однако при увеличении Е>18 прирост среднего индикаторного давления уменьшается, т.к. значительно быстрее возрастают механические потери в двигателе вследствие повышения . Следовательно, нецелесообразно увеличивать Е выше 18÷20.

В дизелях описанный выше способ повышения мощности уже использован; этим способом можно повысить литровую мощность лишь в двигателях с меньшими Е, т.е. в карбюраторных. Но в них Е ограничивается качеством применяемого бензина. При несоответствии качества бензина  двигателя в нем возникает детональное горение. Применение высокооктановых топлив позволяет повысить  у двигателей с принудительным зажиганием до 10÷11. При дальнейшем повышении  значительно возрастает , что приводит к необходимости повышения прочности деталей двигателя и, соответственно, к его утяжелению.

Улучшение наполнения цилиндра.

Улучшение наполнения цилиндра дает возможность сжечь без образования дыма большее количество топлива, т.е. получить большую мощность в цилиндре данного объема и увеличить максимальное число оборотов коленвала без существенного снижения индикаторного давления.

Коэффициент наполнения  можно увеличить, уменьшая общее сопротивление впускного трубопровода, воздушного фильтра и карбюратора. В многоцилиндровом двигателе обычно наблюдается большая неравномерность наполнения цилиндров, что приводит к понижению мощности отдельных цилиндров и уменьшению общей мощности двигателя. Поэтому необходимо стремиться к одинаковому наполнения цилиндров двигателя.

В дизелях при одинаковой (максимальной) подаче топлива во все цилиндры неравномерность подачи воздуха приводит к дымному сгоранию в некоторых цилиндрах, вследствие чего приходится уменьшать максимальную подачу во всех цилиндрах, т.е. понижать общую мощность двигателя.

Для двигателей с принудительным зажиганием неравномерность подачи смеси по цилиндрам приводит к уменьшению ее количества в отдельных цилиндрах и к понижению мощности этих цилиндров. Следовательно, устранение неравномерности наполнения цилиндров дает возможность увеличить общую мощность многоцилиндрового двигателя.

Увеличение массового заряда цилиндра позволяет увеличивать количество сжигаемого топлива, в результате чего повышается мощность. Основным способом увеличения массового заряда двигателя служит наддув двигателей, т.е. подача свежего заряда в цилиндр двигателя под давлением.

В двигателях с принудительным зажиганием появление детонационного сгорания определяется значениями температуры и давления конца сжатия горючей смеси; поэтому применение наддува в них обычно нецелесообразно, т.к. вызывает необходимость уменьшения степени сжатия. Наддув двигателей такого типа рационально использовать только для кратковременного формирования их и компенсации потери мощности при работе в разряженной атмосфере (авиационные поршневые двигатели).

В дизелях с наддувом увеличивается количество кислорода в цилиндре, что позволяет сжигать большее количество топлива и получать большую мощность при том же рабочем объеме. Наддув может быть применен как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей.

Увеличение мощности двигателя при установке компрессора с механическими приводами равно разности мощности, полученной двигателем за счет наддува, и мощности, затраченной на привод компрессора. В случае уменьшения нагрузки, т.е. при работе двигателя с неполной мощностью и постоянным числом оборотов, а следовательно, с постоянным числом оборотов компрессора, выигрыша мощности не будет, и двигатель станет менее экономичным, чем при работе без наддува. Ухудшение экономичности двигателя при работе с частичной нагрузкой является основным недостатком этой системы наддува. Преимуществом ее является быстрое достижение компрессором максимального числа оборотов.

Компрессор с приводом от постороннего источника энергии имеет все преимущества компрессора с механическим приводом и позволяет регулировать подачу воздуха при изменении нагрузки по заданному закону. Кроме того, использование такого привода в значительной мере облегчает пуск двигателя. Недостатком рассматриваемого привода следует считать наличие дополнительного двигателя, что, несомненно, повышает стоимость силовой установки.

Наиболее часто в настоящее время для привода компрессора используется газовая турбина, работающая на выпускных газах двигателя. Применение газотурбинного двигателя позволяет исключить сложный и достаточно дорогостоящий механический привод, облегчает компоновку силовой установки и обеспечивает саморегулирование подачи воздуха при уменьшении нагрузки.

Использование энергии выпускных газов в турбине повышает степень расширения газов и эффективную мощность двигателя. Выпускные газы двигателя перед турбиной, в зависимости от его форсирования, имеют температуру 370 – 600⁰ С в двухтактных двигателях и 500 – 700⁰ С – в четырехтактных.

Количество выпускных газов, приходящихся на единицу массы сжигаемого топлива, зависит от коэффициента избытка воздуха и коэффициента продувки.

Информация в лекции "Задачи менеджмента информационных технологий" поможет Вам.

В двухтактных двигателях на единицу массы сжигаемого топлива требуется в 1,5-2 раза больше воздуха, чем в четырехтактных, что приводит к необходимости увеличивать размеры и производительность компрессора и мощность его привода.

В двухтактных двигателях при давлении наддува более 1,5 кг/см² мощности турбины недостаточно для привода компрессора, поэтому часто применяют комбинированный привод. Первая ступень – компрессор (низкого давления) – приводится в движение турбиной, вторая ступень – компрессор (высокого давления) – от коленвала двигателя.

Применение наддува в двигателях.

Стремление к существенному повышению агрегатной мощности двигателей приводит к необходимости принудительного увеличения весового заряда цилиндров воздухом посредством наддува. Степень повышения мощности двигателя при наддуве можно оценить по так называемой степени наддува , представляющей собой отношение среднего эффективного давления (мощности) двигателя при наддуве к среднему эффективному давлению двигателя без наддува.

В настоящее время реальными являются значения =1,5 ÷2 и выше. Различают наддув скоростной, инерционный, механический, газотурбинный и комбинированный.