Вопрос 3. Основные показатели работы ДВС: КПД и мощность.

Ответ

Работа, совершаемая газами во всех цилиндрах за единицу вре­мени, называется индикаторной мощностью двигателя Ni.

При выводе формулы мощности Ni приняты следующие обозначе­ния: D —диаметр цилиндра, м; S — ход поршня, м; V_s — рабочий объем цилиндра, м³; p_i —среднее индикаторное давление; п — частота вращения, об/мин; Z — число цилиндров; i — kZ — число рабочих ходов за один оборот во всех цилиндрах, где k — коэффи­циент тактности (для четырехтактных двигателей k = 1/2, для двух­тактных простого действия k = 1).

Согласно определению среднего индикаторного давления работа, совершаемая газами в цилиндре за один_цикл, Дж/цикл, (один рабо­чий ход поршня),

     

                                      L = Pi *(p D ² /4) S

 

Индикаторная работа всего двигателя в минуту, Дж/мин,

 

                                          L = Pi*(p D²/4)Sni

 

Разделив минутную работу на 60, получим индикаторную мощ­ность, Вт

 

                                     Ni = (p_i p D ² Sni)/4*60

 

Выражение pD²S/4 представляет собой рабочий объем цилиндра V_s; тогда для двухтактного двигателя

                                         Ni =(p_iV_snZ)/60

 

для четырехтактного двигателя

 

                                    Ni =(p_iV_snZ)/120

 

Если выражение Sn /ЗО заменим на среднюю скорость поршня с_т = Sn/ЗО, то получим обобщенную формулу индикаторной мощ­ности для любого типа двигателей, Вт,

                                     N_i = 0,393 D ² p_ic_mi.                       

  Индикаторный КПД. В реальном двигателе, помимо неизбежной отдачи тепла хо­лодному источнику (потеря тепла с выпускными газами), име­ются потери, обусловленные наличием теплообмена между рабо^ чим телом и стенками цилиндра, потери, вызванные неполным сгоранием топлива и недостаточно высокой скоростью его сго­рания.

Коэффициент полезного действия, учитывающий всю сумму потерь тепла при осуществлении рабочего цикла, называется индикаторным КПД.

 

Таким образом, индикаторный КПД оценивает степень ис­пользования тепла в цилиндре реального двигателя и может быть представлен в виде отношения тепла, эквивалентного индикатор­ной работе газов, 632 N_i ко всему подведенному теплу:

                              h _i = 632 N_i / Q_нG_ч

 

где 632 — термический эквивалент 1 л. с.-ч, ккал;

   G _ч — часовой расход топлива на двигатель, кг/ч.

 

Увеличение относительной доли потерь тепла в стенки и с вы­пускными газами, увеличение неполноты сгорания топлива отри­цательно сказывается на индикаторном КПД и, следовательно, на величине развиваемой двигателем мощности Ni (при сохране­нии G_ч—idem). Качество сгорания топлива, скорость и полнота реакции сгорания в большой степени зависят ог величины коэф­фициента избытка воздуха а, что, в свою очередь, определяет его влияние на индикаторный КПД. С увеличением а индикаторный КПД, как правило, растет.

 

Механический КПД. Коэффициент, учитывающей все механи­ческие потери в двигателе, носит название механического коэффициента полезного действия; принимается равным отношению эффективной мощности двигателя к индика­торной мощности:

 

                                  h _мех = N_e/N_i

 

Если мощность, затрачиваемую на механические потери, обозначить через N _мех, то тогда эффективную мощность, можнопредставить как разность между индикаторной (внутренней) мощностью и мощностью механических потерь:

                                 N_e = N_i – N _мех

и                    h _мех = (Ni - N _мех) / N_i = 1 - N _мех /N_i

 

Мощность механических потерь N _мех состоит  из следующих составных частей:

 

N _мех = N _тр + N _нас + N _всп + N _к

где N _тр — мощность, затрачиваемая на трение в движущихся дета­лях, зависящая от скорости относительного перемещения, удельных давлений, вязкости масла, качества изготовле­ния и монтажа деталей и пр. В тронковых двигателях основной составляющей работы трения является трение колец и поршня (55—65%);

   N _нас - мощность, затрачиваемая на процесс газообмена в четы­рехтактных двигателях, при наддуве может превратиться в добавочную полезную работу;

   N _всп -  мощность, затрачиваемая на привод навешенных на дви­гатель механизмов и насосов (1,5—3%);

   N_K -  мощность, затрачиваемая на привод продувочного насоса или навешенного на двигатель наддувочного агрегата, включая и подпоршневые полости.

 

Большие значения h _мех   относятся к двигателям с газотурбин­ным наддувом и высокими р_е.

Величина h _мех   необходима для пересчета индикаторных пока­зателей в эффективные. Определить h _мех с достаточной степенью достоверности непосредственно  в судовых условиях довольно сложно, и поэтому в практике эксплуатации обычно пользуются опытными данными, которые заимствуют из материалов завод­ских стендовых испытаний двигателя. При этом необходимо учи­тывать, что h _мех есть функция относительных механических по­терь двигателя N _{м ex} / N_i и поэтому зависит не только от мощности, необходимой для преодоления механических потерь N _мех, которую можно считать более или менее постоянной и мало меняющейся с течением времени эксплуатации двигателя, но и от индикатор­ной мощности N_i.

 

Эффективный КПД. Коэффициент полезного действия, учи­тывающий все потери в двигателе, включая и механические, на­зывается эффективным КПД.

По аналогии с h _i эффек­тивный КПД может быть также представлен в виде отношения тепла, эквивалентного эффективной работе двигателя, 632 N_e ко всему подведенному теплу:

 

                              h _e = 632 N_i / Q _н G _ч

Следовательно,

                                         h _e = h _i h _мех

Таким образом, эффективный КПД двигателя зависит от ин­дикаторного КПД, характеризующего экономичность рабочего процесса, и механического КПД, оценивающего механические по­тери.