Основные показатели работы двс ( p1 ,N1,Nm,Ne,Nl,ne,Mk,ge,G1 и др)

Общие сведения о тепловых двигателях. Классификация ДВС

 

Общие сведения о двигателях внутреннего сгорания (ДВС)

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели – это машины, в которых химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепловую, а затем в механическую. К ним относятся паровые машины, паровые турбины, поршневые ДВС, газотурбинные двигатели, комбинированные турбопоршневые двигатели, реактивные двигатели.

В поршневых ДВС преобразование химической энергии в тепловую происходит внутри рабочего цилиндра в течение очень короткого промежутка времени (тысячные доли секунды) при высоких температурах. Это определяет малые гидравлические и тепловые потери, высокий КПД и компактность.

ДВС имеют кривошипно-шатунный механизм, состоящий из поршня, шатуна, кривошипа и вала. Этот механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала.

 

Классификация ДВС

 

1. По способу воспламенения:

– карбюраторные (низкого сжатия) с принудительным воспламенением;

– дизельные (высокого сжатия) с самовоспламенением.

2. По числу тактов:

– 4-х тактные;

– 2-х тактные.

3. По расположению цилиндров:

– рядные;

– V-образные;

– Звездообразные.

4. По роду топлива:

– легкие топлива (бензин, керосин);

– средние топлива (соляра).

5. По быстроходности:

– тихоходные (300 – 500 об/мин);

– средней быстроходности (500 – 1000 об/мин);

– быстроходные (свыше 1000 об/мин).

6. По назначению:

– стационарные;

– специальные;

– транспортные (судовые, автомобильные, тепловозные, авиационные.

7. По способу охлаждения:

– с воздушным охлаждением;

– с жидкостным охлаждением.

8. По использованию наддува:

– с наддувом;

– без наддува.

Основные определения( в м т , н м т , ход поршня,цикл ,такт,объем камер сгорания,полный и рабочий ход цилиндра,степень сжатия,коэффициент наполнения идр.)

 

Основные понятия

 

Цикл – ряд чередующихся процессов при работе двигателя.

Такт – часть цикла, протекающая при одном перемещении поршня между мертвыми точками.

Мертвая точка (МТ) – точка, в которой поршень изменяет направление движения.

ВМТ – положение поршня, когда он наиболее удален от оси коленчатого вала.

НМТ – положение поршня, когда он наиболее приближен к оси коленчатого вала.

Ход поршня – расстояние между мертвыми точками.

S = 2l, где l – длина кривошипа

Рабочий объем цилиндра – объем, освобождаемый поршнем при его движении от ВМТ к НМТ.

Объем камеры сжатия – объем между поршнем, находящимся в ВМТ и крышкой цилиндра.

Полный объем цилиндра – сумма объемов рабочего и камеры сжатия.

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камера сжатия 9, 12 – 17).

Литраж – сумма рабочих объемов всех цилиндров в литрах.

Коэффициент избытка воздуха – отношение количества воздуха, фактически поданного в цилиндр, к теоретически необходимому для полного сгорания топлива.

 

1 кг дизельного топлива содержит С – 86%; Н – 13,9%, О – 0,1%). Для его полного сгорания теоретически необходимо 14,4 кг или 11 м³ воздуха.

Принцип работы ДВС

 

Поступивший в цилиндр двигателя воздух сжимается поршнем и нагревается до температуры 600°С. В нагретый воздух впрыскивается через форсунку топливо, которое воспламеняется и сгорает. В результате в цилиндре образуются газы с высокой температурой и давлением. Под давлением газов поршень перемещается и совершает работу. Во время расширения давление и температура газов понижаются. Отдав часть тепла на совершение работы, отработавшие газы выбрасываются в атмосферу, а свежий воздух вновь поступает в цилиндр. Затем все повторяется.

 

Наддув дизелей

 

Для повышения удельной мощности и тепловой экономичности на современных мощных дизелях применяется наддув. При этом воздух в цилиндры не засасывается из атмосферы, а нагнетается под давлением. Благодаря наддуву в цилиндр на каждый рабочий цикл подается больше воздуха. Это позволяет сжигать в единицу времени большее количество топлива и получить при тех же размерах цилиндров и той же частоте вращения вала большую мощность. Мощность дизеля возрастает почти пропорционально возрастанию давления надувочного воздуха.

Способы наддува

1. Механический – нагнетатель воздуха приводится во вращение через редуктор от коленчатого вала.

Недостатки:

– количество подаваемого в цилиндры воздуха зависит от частоты вращения коленчатого вала и не зависит от нагрузки на дизель;

– на привод нагнетателя расходуется часть полезной мощности.

2. Газотурбинный – отработавшие газы поступают на газовое колесо турбины, на одном валу с которой находится рабочее колесо центробежного нагнетателя.

Достоинства:

– количество подаваемого в цилиндры воздуха соответствует внешней нагрузке на дизель;

– используется энергия отработавших газов, что повышает КПД.

Недостаток:

– не работает при пуске.

3. Комбинированный (двухступенчатый) – в качестве первой ступени ис пользуется газовая турбина. Вторая ступень – нагнетатель с механическим приводом.

 

Тепловой баланс ДВС

Это распределение тепла, получаемого при сжигании топлива в цилиндре, по составляющим его расхода.

1. Тепло, превращаемое в механическую энергию – 36-42%.

2. Тепло, уносимое с отработавшими газами – 32-38%.

3. Тепло, уносимое охлаждающей жидкостью – 12-20%.

4. Тепло, уносимое маслом – 4-10%.

5. Прочие потери (теплоотдача, теплоизлучение) – 4-6%

 

Основные показатели работы двс ( p1 ,N1,Nm,Ne,Nl,ne,Mk,ge,G1 и др)

 

Мощность и КПД дизеля

 

Индикаторная мощность – мощность, получаемая в цилиндрах дизеля (без учета потерь).

P_i – среднее индикаторное давление, кгс/см²;

D – диаметр поршня, см;

S – ход поршня, см;

n – частота вращения, об/мин;

i – число цилиндров;

60 – переводной коэффициент (1 мин = сек);

75 – переводной коэффициент (1 л.с. = 75 );

τ – тактность.

Эффективная мощность – мощность, получаемая на коленчатом валу дизеля (с учетом потерь на трение и привод вспомогательных агрегатов).

η_м – механический КПД (0,75…0,9)

Номинальная мощность (N_ен) – эффективная мощность, развиваемая двигателем при наибольшей частоте вращения коленчатого вала и при нормальных атмосферных условиях (+20°С, 760 мм рт. ст., 70% влажности).

Механический КПД – отношение эффективной мощности к индикаторной.

Индикаторный КПД – отношение механической энергии, выработанной в цилиндрах дизеля, к теплу, внесенному в дизель с топливом за определенное время (1 час).

q_i = – удельный индикаторный расход топлива, ;

- расход топлива дизелем, кг/ч;

– теплота сгорания топлива, Дж/кг;

632 – тепловой эквивалент механической энергии, ккал/(л.с.∙ч).

Эффективный КПД – отношение выработанной дизелем механической энергии к теплу, внесенному в дизель с топливом за определенное время

....................................................................................

Основные параметры двигателя: диаметр цилиндра, ход поршня, число цилиндров.

Индикаторные показатели характеризуют работу газов внутри цилиндра двигателя

Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность

Под средним индикаторным давлением Pi понимают такое условное постоянное давление, которое действуя на поршень в течение одного, рабочего хода, совершает работу, равную индикаторной работе газов в цилиндре за рабочий цикл.

Согласно определению, среднее индикаторное давление – отношение индикаторной работы газов за цикл Li к единице рабочего объема цилиндра Vh, т.е. Pi=Li/Vh.

Индикаторной мощностью Ni называют работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени.

Индикаторная работа (Дж), совершаемая газами в одном цилиндре за один рабочий цикл, Li=Pi*Vh.

Эффективная мощность и средние эффективные давления

Эффективной мощностью Ne называют мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы.

Эффективная мощность меньше индикаторной Ni на величину мощности механических потерь Nm, т.е. Ne=Ni-Nm.

Мощность механических потерь затрачивается на трение и приведение в действие кривошипно-шатунного механизма и механизма газораспределения, вентилятора, жидкостного, масляного и топливного насосов, генератора тока и других вспомогательных механизмов и приборов. Механические потери в двигателе оцениваются механическим КПД nm, которое представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т.е. Nm=Ne/Ni= =(Ni-Nm)/Ni=1-Nm/Ni.

Для современных двигателей механич. КПД составляет 0.72-0.9.

Среднее эффективное давление при нормальной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателе 0.75 - 0.95 МПа, у четырехтактных дизелей 0.6 - 0.8МПа, у двухтактных 0.5 - 0.75 МПа.

Индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива.

Экономичность действительного рабочего цикла двигателя определяют индикаторным КПД ni и удельным индикаторным расходом топлива gi.

Индикаторный КПД оценивает степень использования теплоты в действительном цикле с учетом всех тепловых потерь и представляет собой отношение теплоты Qi, эквивалентной полезной индикаторной работе, ко всей затраченной теплоте Q, т.е. ni=Qi/Q (а).

Удельный индикаторный расход топлива [кг/кВт*ч] представляет собой отношение секундного расхода топлива Gт к индикаторной мощности Ni, т.е. gi=(Gт/Ni)*3600, или [г/(кВт*ч)] gi=(Gт/Ni)*3.6*10^6.

Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива

Экономичность работы двигателя в целом определяют эффективным КПД ni и удельным эффективным расходом топлива ge. Эффективный КПД оценивает степень использования теплоты топлива с учетом всех видов потерь как тепловых так и механических и представляет собой отношение теплоты Qe, эквивалентной полезной эффективной работе, ко всей затраченной теплоте Gт*Q, т.е. nm=Qe/(Gт*(Q^p)н)=Ne/(Gт*(Q^p)н) (2).

Удельный эффективный расход топлива [кг/(кВт*ч)] представляет собой отношение секундного расхода топлива Gт к эффективной мощности Ne, т.е. ge=(Gт/Ne)*3600, или [г/(кВт*ч)] ge=(Gт/Ne)*3.6*10^6.

.........................................................