Конспект лекции "Энергетические показатели"

11.1. Энергетические показатели

Общие сведения.

Индикаторная диаграмма.

Индикаторная мощность.

 Индикаторная диаграмма, полученная непо­средственно с работающего двигателя с помощью механического или электронного индикатора называется, действительной диаграммой. Обработка диаграммы позволяет получить объективную информацию о протекании рабочего цикла. Из термодинамики известно, что работа газов в цилиндре пропорциональна площади диаграммы. На этом основании по площади диаграммы, взятой с учетом ее масштаба, и числу рабочих циклов, совершаемых в секунду, можно определить мощность, развиваемую газами внутри цилиндра, называемую инди­каторной мощностью.

В четырехтактном двигателе площадь диаграммы (рис. 11.1, а) состоит из площади, соответствующей положительной работе, по­лученной за такты сжатия и расширения, и площади, представляю­щей собой положительную работу газов при осуществлении тактов впуска и выпуска (работу насосных ходов), которую принято вклю­чать в механический КПД двигателя. Поэтому при определении ин­дикаторной работы цикла ее не учитывают,

В двухтактном двигателе вся площадь индикаторной диаграм­мы (рис. 11.1, б) представляет собой полезную индикаторную рабо­ту L_i. По значению снимаемой с цилиндра индикаторной работы судят о степени использования его рабочего объема V_s’.

Среднее индикаторное давление.

Некоторое условное постоян­ное давление p_i, действующее на поршень и совершающее в течение одного хода работу, равную работе газов за цикл, называется сред­ним индикаторным давлением. Тогда индикаторная работа для за­данного рабочего объема цилиндра V'_s

L_iц=p_i V'_s     (11 .1)

Из определения также следует, что графически давление p_i может быть представлено как высота прямоугольника, основание которого равно рабочему объему V_s', а площадь равна площади ин­дикаторной диаграммы (рис 11.2).

Таким образом, если имеется индикаторная диаграмма и нужно определить среднее индикаторное давление, то необходимо: най­ти площадь F, мм², диаграммы; измерить ее длину l мм; определить масштаб m, мм/МПа, пружины индикатора; вычислить

                    (11.2)

Из выражения (11.1) определим

                    (11.3) 

Отсюда следует, что среднее индикаторное давление характери­зует работу газов, условно снимаемую в течение цикла с каждого кубического метра рабочего объема цилиндра, и является мерой на­грузки цилиндра, показателем, характеризующим использование его рабочего объема. Чем больше давление р_i, тем при заданных разме­рах цилиндра большая работа снимается с его рабочего объема.

Значение p_i расчетного цикла

(11.4)

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

Для двухтактных двигателей формула (11.4) дает значение p_ip, отнесенное к полезному ходу поршня. Для пересчета на полный ход поршня необходимо значение p_ip умножить на (1 —ψ). При анализе факторов, оказывающих влияние на среднее индикаторное давление p_i, а с ним и на мощность двигателя N_i удобно пользоваться уравнением, предложенным Б.С. Cтечкиным,

(11.l.5),

где, Q_н –теплотворная способность топлива, G₀ – теоретически необходимое количество для сгорания одного килограмма топлива, ρ_s-плотность воздуха в продувочном ресивере, η_н-коэфиициент наполнения цилиндра, η_i- индикаторный кпд, α – коэфиициент избытка воздуха.

Среднее эффективное давление.

Работа, осуществляемая газами в цилиндре двигателя, передается на коленчатый вал через поршень и кривошипно-шатунный механизм (КШМ), что сопровождается механическими потерями. Поэтому работа L_е, передаваемая на фланец отбора мощности вала двигателя, называемая эффективной работой, меньше индикаторной работы L_i, на количество работы механических потерь. L_мех, т. е. L_e = L_i—L_мех. В свою очередь по аналогии с выражением, для L_iц величину L_eц, Дж/м³, можно представить, в виде

L_eц=р_еV'_s                                          (11.6)

Входящее в формулу давление p_e называется средним эффектив­ным давлением и представляет собой некоторое среднее условное по­стоянное давление, действующее на поршень и совершающее на про­тяжении одного его хода работу, равную полезной эффективной ра­боте на соединительном фланце коленчатого вала двигателя:

(11.7)

Отсюда следует, что среднее эффективное давление представляет собой удельную эффективную работу, которая в свою очередь равна разности между производимой в цилиндре индикаторной работой и работой механических потерь, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра. Значения р_e, МПа, находятся в пределах для двигателей с наддувом двухтактных 0,75—1,6, четырехтактных 0,75—2,5, без наддува двухтактных  0,4—0,55, четырехтактных 0,52—0,65.

Индикаторная и эффективная мощность.

Мощность двигателя, соответствующая индикаторной работе цикла, называется индика­торной мощностью, кВт:

,                                   (11.8)

Для получения вычисления в индикаторных лошадиных силах следует результат вычисления умножить на 1,36.

Под эффективной мощностью двигателя N_e подразумевается полезная мощность, отдаваемая c соединительного фланца вала двигателя гребному валопроводу, генератору или иному приемнику энергии. Аналогично формуле                          

          (11.9)

Для конкретного двигателя, имеющего определенные размеры цилиндра и тактность, мощность, развиваемая, в одном цилиндре

                             (11.10)

                            (11.11)

где С= 0,0131D²S/m — постоянная цилиндра.

Тогда агрегатная мощность

                 (11.12)

                (11.13)

При расчете двигателя для определения N_i прибегают к формуле (11.10) поскольку предполагается, что среднее индикаторное дав­ление во всех цилиндрах одинаково. При испытаниях двигателя индикаторную мощность определяют на основе значений p_i по­лученных путем обработки индикаторных диаграмм. При этом, по­скольку значения р_i разных цилиндров неодинаковы, на ос­нове выражения (11.12) подсчитывают мощность каждого цилиндра, а мощность двигателя находят как сумму цилиндровых мощностей:

Эффективную мощность N_e определяют, основываясь на полу­ченном в ходе расчета или испытаний значении N_i и известном из данных стендовых заводских испытаний значении механического КПД :

                         (11.14)

Если_; заменить N_е и N_i их выражениями (11.12) и (11.13), то найдем

                                    (10.5)

Эффективная мощность, и вращающий момент двигателя М_e, Нм, связаны выражением

Если в этой формуле заменить N_е через выражение (11.13), то получим

(11.16)

Таким образом, вращающий момент, определяющий нагрузку двигателя, и среднее эффективное давление, характеризующее на­грузку цилиндра, находятся в прямой зависимости.

Согласно выражению (11.16) мощность, кВт,

               (11.18)

На этой зависимости основан метод определения мощности N_e при стендовых заводских испытаниях двигателя. На стенде двига­тель подсоединяют к тормозному устройству (обычно к гидравличе­скому тормозу) и измеряют частоту вращения и поглощаемый тор­мозом вращающий момент.

Литература.

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 382 с. Стр. 40-42.

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2008.- 470 с. Стр. 51-55

Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация / И.В.Возницкий, Е.Г.Михеев – М.:Транспорт, 1990. - 360 с Стр. 238-241