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.
- 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.