Механические потери и их показатели.

Лекция 5

Эффективные и оценочные показатели двигателя.

Введение

В отличие от тео­ретического цикла, в котором тепловые потери (принципиально неустранимые) связаны лишь с необходимостью отда­вать часть подведенного тепла холо­дильнику, в действительном рабочем цикле имеет место ряд дополнительных, принципиально устранимых потерь теп­ла, вызванных теплообменом между га­зом и станками, неполным сгоранием топлива, диссоциацией продуктов сго­рания, утечкой рабочей смеси через неплотности и т. п.

Степень использования теплоты в действительном рабочем цикле оцени­вается индикаторным к. п. д. , пред­ставляющим отношение теплоты, выде­ленной при сгорании 1 кг топлива и преобразованной в полезную работу цикла, к удельной теплоте сгорания топлива.

Часть развиваемой в цилиндрах мощ­ности, называемая мощностью механи­ческих потерь, затрачи­вается в самом двигателе на преодо­ление трения и на привод вспомогательных механизмов: механизма газораспределения, топливного, масляного и водяного насосов венти­лятора, генератора, компрессора и др. Потери на трение, составляющие около 70 % механических потерь, связаны с наличием трения в цилиндропоршневой группе деталей, в шатунных и ко­ренных подшипниках коленчатого вала и сопротивления среды движению де­талей, связанных с кривошипами ко­ленчатого вала. Затраты мощности на привод вспомогательных механизмов включают лишь необратимые потери, не учитывающие, например, потери при упругом деформировании клапанных пружин или возвратимые потери на сжатие воздуха в компрессоре. Главная составляющая мощности ме­ханических потерь - потери на тре­ние - зависит и от скоростного и от нагрузочного режимов работы двигате­ля. Потери на привод вспомогательных механизмов зависят, в основном, от скоростного режима.

Индикаторные показатели характеризу­ют лишь совершенство процессов, про­текающих в цилиндрах двигателя, в них не учитываются механические поте­ри. Поэтому они не могут характеризовать работу двигателя в целом. Оцен­ка двигателя производится по его эф­фективным показателям: среднему дав­лению, мощности, к. п. д. и удельному расходу топлива, характеризующим работоспособность и экономичность работы двигателя с учетом всех вну­тренних потерь. Эффективные показа­тели оценивают как совершенство про­цессов, протекающих в двигателе, так и его конструктивное исполнение.

1. Показатели, характеризующие степень совершенства преобразования энергии топлива в индикаторную работу.

2. Механические потери и их показатели.

3. Эффективные показатели и их взаимосвязь с индикаторами.

4. Влияние различных факторов на эффективные показатели.

5. Показатели напряженности конструкции, степени форсирования, массогабаритные.

1. ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ СТЕПЕНЬ СОВЕРШЕНСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТОПЛИВА В ИНДИКАТОРНУЮ РАБОТУ.

Индикаторная работа.

Работа, совершаемая газами в цилиндрах двигателя, называется индикаторной. Индикаторная работа газов в одном цилинд­ре за один цикл называется работой цикла.

Индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл может быть определена с помощью индикаторной диаграммы, построенной по данным теплового расчета двигателя.

Площадь, ограниченная контуром расчетной индикаторной диаграммы, в соответст­вующем масштабе представляет собой теоретическую индикаторную работу газов в одном цилиндре за цикл. При­чем площадь верхней петли этой диаграммы, ограниченная контуром , характеризует по­ложительную работу газов за цикл , а площадь нижней петли, ограничен­ная контуром , - работу , затрачиваемую на насосные ходы поршня для газообмена в цилиндре (за счет работы газов в других цилиндрах или за счет кинетической энергии движущихся масс).

Площадь верхней петли действитель­ной индикаторной диаграммы , огра­ниченная контуром , примерно на 5% меньше площади верхней петли расчетной диаграммы . Это объясняется неко­торыми отклонениями действительного давления газа в цилиндре от расчет­ного вследствие опережения зажигания (или впрыска топлива), опережения выпуска отработавших газов и отличия действительного подвода теплоты от теоретического. Уменьшение площади расчетной диаграммы по указанным причинам учитывается с помощью коэф­фициента полноты диаграммы . Коэффициент обычно со­ставляет 0,93-0,97.

Рис.28 Действительная и расчетная индикаторные диаграммы четырехтактного двигателя.

Таким образом, действительная ин­дикаторная работа газов в одном ци­линдре за один цикл , где часть индикаторной работы, затрачиваемой на процессы газообмена (впуска и выпуска).

Среднее индикаторное давление.

Для сравнительной оценки работоспособно­сти циклов, совершаемых газами в раз­ных цилиндрах двигателя (или в раз­ных двигателях), используется инди­каторная работа за цикл, отнесенная к рабочему объему цилиндра, т. е. сред­нее индикаторное давление

.

Среднее индикаторное давление - это условно-постоянное давление на поршень, которое в течение одного его хода совершает работу, равную инди­каторной работе газов за весь цикл.

Рис.29.Теоретическая индикаторная диаграмма обобщенного цикла и график среднего индикаторного давления.

Теоретическое среднее индикаторное давление , характеризующее лишь по­ложительную расчетную индикаторную работу газов за цикл, определяется по формуле .

Графически представляет собой высоту прямоугольника, построенного на основании , площадь которого равна площади верхней петли расчет­ной индикаторной диаграммы Отсюда, может определяться путем деления вычисленной площади верхней петли расчетной индикаторной диаграммы на длину диаграммы, соответствующую объему .

Действительное среднее индикаторное давле­ние для различных двигателей при полной нагрузке находится в пределах:

ü в четырехтактных карбюраторных двигателях 0,8-1,2 МПа;

ü в двухтактных карбюраторных двигателях с кривошипно-камерной продувкой - 0,35-0,55 МПа;

ü в четырехтактных дизелях без наддува 0,7-1,1 МПа;

ü в четырехтактных двигателях с наддувом - до 2,2 МПа;

ü в двухтактных дизелях без наддува - 0,4-0,7 МПа;

ü в двухтактных дизелях с наддувом - до 1,2 МПа.

По мере уменьшения нагрузки инди­каторное давление снижается. При ра­боте двигателя без нагрузки (холостой ход) вся индикаторная работа затра­чивается на трение и привод вспомогательных механизмов двигателя. Сред­нее индикаторное давление двигателя, работающего с полной нагрузкой, су­щественно зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Рис.30.Зависимость среднего индикаторного давления от частоты вращения коленчатого вала.

Максимальное значение имеет ме­сто на средней частоте вращения, со­ставляющей около 50 % номинальной. При этом наполнение цилиндра свежим зарядом наибольшее при сравнительно небольших тепловых потерях в цикле. При меньшей частоте вращения инди­каторное давление меньше вследствие больших тепловых потерь и меньшего наполнения из-за обратного выброса из цилиндра свежего заряда. При боль­шей частоте тепловыделение в цилиндре уменьшается вследствие ухудшения ус­ловий наполнения. Тепловые потери также уменьшаются, однако значитель­но возрастают насосные потери, связан­ные с газообменом. В результате сни­жается давление во всех характерных точках цикла, а значит, и среднее ин­дикаторное давление.

Индикаторная мощность двигателя.

Величина, определяемая отношением работы, совершаемой газами в цилинд­рах двигателя, к интервалу времени ее совершения, называется индикатор­ной мощностью.

Индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл

.

Индикаторная работа, совершаемая газами в одном цилиндре за одну се­кунду, или индикаторная мощность одного цилиндра двигателя (кВт):

,

где - тактность двигателя; - ча­стота вращения коленчатого вала, об/мин; - среднее индикаторное дав­ление, МПа; - рабочий объем ци­линдра, л.

Индикаторная мощность многоци­линдрового двигателя

,

где - число цилиндров в двигателе.

Индикаторный к. п. д.

В отличие от тео­ретического цикла, в котором тепловые потери (принципиально неустранимые) связаны лишь с необходимостью отда­вать часть подведенного тепла холо­дильнику, в действительном рабочем цикле имеет место ряд дополнительных, принципиально устранимых потерь теп­ла, вызванных теплообменом между га­зом и станками, неполным сгоранием топлива, диссоциацией продуктов сго­рания, утечкой рабочей смеси через неплотности и т. п.

Степень использования теплоты в действительном рабочем цикле оцени­вается индикаторным к. п. д. , пред­ставляющим отношение теплоты, выде­ленной при сгорании 1 кг топлива и преобразованной в полезную работу цикла , к удельной теплоте сгорания топлива :

.

Рис.31.Зависимость основных индикаторных показателей от частоты вращения коленчатого вала: а – среднего давления и мощности;

б – мощности и удельного расхода топлива при различной нагрузки двигателя.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ И ИХ ПОКАЗАТЕЛИ.

Часть развиваемой в цилиндрах мощ­ности, называемая мощностью механи­ческих потерь , затрачи­вается в самом двигателе на преодо­ление трения и на привод вспомогательных механизмов : механизма газораспределения, топливного, масляного и водяного насосов венти­лятора, генератора, компрессора и др.

Потери на трение, составляющие около 70 % механических потерь, связаны с наличием трения в цилиндропоршневой группе деталей, в шатунных и ко­ренных подшипниках коленчатого вала и сопротивления среды движению де­талей, связанных с кривошипами ко­ленчатого вала. Затраты мощности на привод вспомогательных механизмов включают лишь необратимые потери, не учитывающие, например, потери при упругом деформировании клапанных пружин или возвратимые потери на сжатие воздуха в компрессоре.

Главная составляющая мощности ме­ханических потерь - потери на тре­ние - зависит и от скоростного и от нагрузочного режимов работы двигате­ля. Потери на привод вспомогательных механизмов зависят, в основном, от скоростного режима.

Мощность механических потерь по аналогии с индикаторной мощностью может быть выражена через среднее давление механических потерь зави­симостью

.

Поскольку в основном на механиче­ские потери влияет скоростной режим двигателя, среднее давление механиче­ских потерь (МПа) может быть опре­делено по следующим опытным зависимостям: для карбюраторных двига­телей ; для дизелей , где - средняя скорость поршня, м/с.

Механические потери в двигателе оцениваются механическим к. п. д. , представляющим отношение мощности, снимаемой с коленчатого вала (эффек­тивной мощности), к индикаторной мощности

.

Механический к. п. д. характеризует степень снижения индикаторной мощно­сти при передаче ее к выходному валу двигателя и зависит в основном от ско­ростного, нагрузочного и теплового ре­жимов его работы, а также от каче­ства и свойств смазывающего масла.

По мере уменьшения нагрузки при по­стоянном скоростном режиме двигателя уменьшается среднее индикаторное дав­ление и индикаторная мощность при практически неизменяющихся механи­ческих потерях, поэтому механический к. п. д. уменьшается. В частном случае, когда внешняя нагрузка двигателя от­сутствует (холостой ход), развиваемая индикаторная мощность полностью затрачивается на преодоление механических потерь в самом двигателе и .

По мере увеличения частоты враще­ния коленчатого вала при неизменном положении дроссельной заслонки (или рейки топливного насоса в дизелях) индикаторная мощность двигателя практически неизменна, а мощность механических потерь увеличивается. В результате механический к. п.д. уменьшается, а в частном случае, когда мощность механических потерь возрастает до индикаторной , меха­нический к. п. д. равен нулю и двига­тель не может преодолевать нагрузки (случай холостого хода двигателя при заданном расходе топлива).

Наибольший механический к. п. д. имеет место при работе двигателя при полной нагрузке и малой частоте вра­щения коленчатого вала.

Механический к. п. д. автотракторных двига­телей, работающих на номинальном режиме, составляет: в четырехтактных карбюраторных дви­гателях , четырехтактных дизелях - 0,7-0,82, четырехтактных двигателях с надду­вом - 0,8-0,9, двухтактных дизелях - 0,7-0,85.