Одним из основных показателей, характеризующим протекание рабочего цикла двигателя, является индикаторная (полезная) работа цикла W*. Индикаторная работа цикла W* представляет собой количество механической энергии, которое можно затратить для привода некоторого внешнего устройства, связанного с двигателем, в течение времени совершения одного цикла. Если циклы непрерывно повторять, то получают большое количество индикаторной работы. В этом случае в течение всего времени работы двигателя можно приводить связанное с ним устройство в движение.
Индикаторная работа W{ является первым оценочным параметром протекания цикла ДВС.
Работа, совершаемая над любым телом, представляет собой количество механической энергии, переданной этому телу в результате механического взаимодействия. В передаче энергии участвуют, как минимум, два тела, одно из которых получает механическую энергию, а второе — отдает ее.
|
(15.111) |
Работа, совершаемая над телом, как известно из физики, определяется по формуле:
W = PS cosa,
|
|
Где Р — сила, приложенная к телу; S — перемещение тела; а — угол между направлениями векторов действия силы и перемещения.
Для определения индикаторной работы Wi одного цикла необходимо вычислить работу сжатия И^ж и работу расширения Wpacm. Далее, воспользовавшись выражением (15.109), можно определить величину индикаторной работы Wi.
При сжатии поршень прикладывает к рабочему телу силу, равную
Где Рсж — давление рабочего тела в процессе сжатия; Fn — площадь поршня.
В процессе сжатия (линия а-с; рис. 15.20) давление рабочего тела непрерывно изменяется (увеличивается). Поэтому сила Р, приложенная к поршню, также в процессе сжатия непрерывно изменяется.
Для упрощения расчетов полагают, что сжатие рабочего тела происходит при некотором условном постоянном давлении Рсж = Idem (линия 1-2; рис. 15.20). Тогда в соответствии с выражением (15.111) работа сжатия равна:
= РсжРп5cos а = РсжРп5, [а = 0]. (15.113)
Произведение площади поршня Fn на перемещение 5 представляет собой рабочий объем цилиндра двигателя V^:
Vh = FnS = ^-S. (15.114)
Объединяя выражения (15.113) и (15.114), получим:
WC3K=pC3KVh. (15.115)
Произведение (15.115) имеет геометрическую интерпретацию — оно численно равно площади фигуры 1 — 2— D—E (рис. 15.20). С другой стороны работа сжатия И^ж эквивалентна площади фигуры E—A—C—D—E. Условное давление сжатия Рсж определяется таким образом, чтобы были равны площадь условной фигуры 1 — 2— D—E и площадь E—A—C—D—E под линией сжатия а-с.
В процессе расширения давление рабочего тела также переменно. Поэтому пользоваться выражением (15.111) для определения работы расширения Wpacm нельзя. Поэтому для упрощения расчетов полагают, что процесс расширения также происходит при некотором постоянном условном Давлении ррасш рабочего тела (линия 3-4; рис. 15.20). Тогда аналогично выражению (15.113) можно записать:
^расш ~ Ррасш-Рi S cos А — PpacuiFnS, [а = 0]. (15.116)
В процессе расширения поршень перемещается под действием силы давления рабочего тела.
Площадь фигуры е—4—3—D эквивалентна работе расширения Wpacmi полученной в процессе расширения рабочего тела при некотором постоянном давлении рраСш- Реально работа расширения WP&CU1 эквивалентна площади фигуры D—C—Z—B—E (рис. 15.20). Поэтому величину условного среднего давления расширения ррасш определяют таким образом, чтобы площадь фигуры е — 4~ 3— D была равна площади фигуры D—C—Z—B—E.
На основании выражения (15.109) можно записать:
W^i = wn — ирасщ hqk =
= РрасшV^ —РсжУн = (Ррасш — Рсж)^. (15.117)
Исходя из геометрических построений можно утверждать, что величина индикаторной работы Wi эквивалентна площади фигуры 1 — 2—3—4 (рис. 15.20). Реально индикаторная работа Wi эквивалентна площади фигуры A—C—Z—B.
Принятые выше допущения позволяют получить простую зависимость для определения индикаторной работы:
Wi=PiVh, (15.118)
Где Pi = рРасш — Рсж — условное среднее индикаторное давление рабочего тела.
Условное среднее индикаторное давление р» геометрически представляет собой высоту прямоугольника 1-2-3-4 (рис. 15.20).
Среднее индикаторное давление р* является вторым оценочным параметром протекания рабочего цикла двигателя:
V_Wt_ wt _ Ж, _ Wt
Рх — Vh — Va — Vc — в • V. — Vc — Vc(E —1) • (15Л19)
Чем больше среднее индикаторное давление р», тем больше индикаторная работа Wi.
Пусть коленчатый вал двигателя вращается с частотой п [мин""1]. За 1 оборот коленчатого вала поршень совершает 2 хода. Следовательно, за 1 мин поршень совершит следующее количество ходов:
"ходов!
А = 2п
Мин
В четырехтактном двигателе рабочий цикл происходит за 4 такта (хода) поршня, а в двухтактном — за два хода поршня. Таким образом, за 1 мин в двигателе совершается следующее количество рабочих циклов:
В — — — — [Циклов] Т Т [ мин J ‘
Где т — тактность двигателя, т. е. количество ходов, осуществляемых поршнем в течение одного цикла, (т = 2 или 4).
|
|
|
Работа, затраченная А на сжатие газа |
|
Результат |
|
Работа, совершённая газом Полезная (индикаторная) в процессе расширения работа цикла |
|
Fрвет ^ |
|
Рис. 15.21. Условная схема определения индикаторной работы цикла |
Тогда число рабочих циклов за 1 секунду равно:
2п [циклов] ~ 60т L с J*
Тогда за время T (с) в двигателе будет совершено следующее число циклов:
R —2п t
Из последнего выражения определим продолжительность протекания одного цикла (Bt = 1):
L = 60 • г = 2nt; (ШЭД
В течение одного цикла совершается индикаторная работа Разделив индикаторную работу Wi на продолжительность протекания одного цикла t, получим выражение для определения индикаторной мощности одноцилиндрового двигателя:
Ййг. (15.121)
Индикаторная мощность, определяемая по формуле (15.120), является третьим оценочным параметром протекания рабочего цикла двигателя.
Индикаторная работа Wi представляет собой ту часть работы расширения Wpacn,, которую можно использовать для привода любой машины (рис. 15.21).
Проанализируем выражение (15.121). Мощность характеризует производительность двигателя. Чем больше мощность двигателя, тем большую работу он выполняет в единицу времени, т. е. выше его производительность. Из выражения (15.121) следует, что для увеличения мощности двигателя необходимо:
• увеличить среднее индикаторное давление р*;
• увеличить рабочий объем цилиндра V^;
• увеличить частоту вращения коленчатого вала п.
Для увеличения среднего индикаторного давления р» необходимо уменьшить величину Рсж или увеличить величину ррасш. Уменьшить величину Рсж практически невозможно, так как рабочее тело поступает в цилиндр двигателя с окружающей среды с определенными значениями параметров состояния (давления и температуры). Поэтому для увеличения р» необходимо увеличивать величину ррасш, которая зависит от количества сгораемого в цилиндре двигателя топлива. Чем больше топлива сгорает, тем больше выделяется энергии в тепловой форме. Чем больше энергии в тепловой форме сообщается рабочему телу, тем большее его давление ррасш в процессе расширения. В двигателе это можно сделать путем увеличения рабочего объема цилиндра Vh. В этом случае в цилиндр бензинового двигателя будет поступать больше горючей смеси. В дизельном двигателе при увеличении рабочего объема цилиндра увеличивают цикловую подачу топлива <7ц.
Цикловая подача топлива дц представляет собой массу топлива, впрыскиваемого в цилиндр в одном рабочем цикле. Так, в четырехтактном двигателе рабочий цикл протекает за 4 хода поршня, а впрыск топлива осуществляется только один раз.
Чем больше рабочий объем цилиндра Vh дизельного двигателя, тем больше воздуха в нем помещается. В этом случае в цилиндре может сгореть больше топлива. Для увеличения рабочего объема Vh можно изменить диаметр D цилиндра двигателя или ход поршня 5. При увеличении диаметра цилиндра D увеличивается масса поршня и связанных с ним деталей КШМ, что вызывает значительные инерционные нагрузки. При увеличении хода поршня 5 увеличивается высота двигателя, что может привести к нежелательным объемно-массовым показателям. При этом с увеличением хода поршня S увеличивается его средняя скорость движения Ст’.
_ Sn Cm" 30 •
Чем больше скорость поршня, тем больше механические потери в двигателе. Тем самым к двигателю предъявляются два взаимно противоположных требования — большой рабочий объем цилиндра при малом ходе поршня.
Поэтому отмеченные выше мероприятия не являются эффективными с точки зрения увеличения среднего индикаторного давления р» рабочего тела. При этом следует заметить, что двигатель большой мощности, выполненный по одноцилиндровой схеме, требует применения специальных уравновешивающих систем.
Современные ДВС строят по многоцилиндровой схеме, обладающей рядом существенных преимуществ перед одноцилиндровой схемой.
Для многоцилиндрового двигателя выражение (15.121) имеет вид:
= (15-122)
Где г — число цилиндров двигателя.
При увеличении частоты вращения коленчатого вала п увеличивается количество топлива, сгораемого в цилиндре двигателя в единицу времени. В бензиновом двигателе с увеличением п цилиндры двигателя чаще наполняются горючей смесью. Если частота вращения коленчатого вала бензинового двигателя равна п = 4000 мин"1, то его цилиндры за 1 минуту наполняются горючей смесью 2000 раз. При п = 8000 мин""1 цилиндры двигателя в течение 1 минуты уже наполняются горючей смесью 4000 раз. Это означает, что в течение 1 минуты происходит большее число рабочих циклов. Аналогично, в дизельном двигателе с увеличением п увеличивается число впрысков топлива за 1 минуту.
Величина Улу численно равная
V* = IVh, (15.123)
Называется рабочим объемом двигателя.
Подставляя выражение (15.123) в выражение (15.122), получим:
Масса топлива (в килограммах), израсходованного двигателем за 1 час работы, называется часовым расходом топлива (обозначается GT). Часовой расход топлива измеряется в килограммах на 1 час работы.
Величину Qi, численно равную
GT.1000 /1 к юк\
Л = —jyj— » (15.125)
Называют удельным индикаторным расходом топлива.
Исходя из зависимости (15.125), величину можно интерпретировать как часть часового расхода топлива, приходящуюся на единицу мощности двигателя (1 кВт или 1 Вт).
Определим секундный расход топлива:
Г —
"" 3600′
Тогда аналогично выражению (15.125) можно записать:
,_GT 1000 _ Gr ,
Ft — mow (15’125)
Знаменатель выражения (15.125′) представляет собой индикаторную работу Li, которую может выполнить двигатель за 1 час работы (3600 секунд). Числитель выражения (15.125′) представляет собой количество топлива, затраченное двигателем в течение 1 часа работы (3600 секунд) на выполнение этой индикаторной работы L». Тогда на основании соотношения (15.125′), можно заключить, что величина д[ представляет собой массу топлива, расходуемой двигателем на выполнение единицы индикаторной работы L^ Чем меньше топлива д[ расходует двигатель на выполнение единицы индикаторной работы, тем экономичнее он работает.
Для современных двигателей величина равна:
• для бензиновых двигателей — 235… 290 г/(кВт • ч);
• для дизельных двигателей —175… 240 г/(кВт • ч).
При сгорании топлива выделяется энергия в тепловой форме, которая одновременно передается рабочему телу для его нагрева. Чем больше топлива сгорает, тем больше тепловой энергии выделяется. Количество тепловой энергии Н0, выделяющейся при сгорании единицы массы топлива, называют теплотворной способностью топлива.
В результате сгорания углеводородного топлива (бензина или дизельного топлива) в цилиндре двигателя происходят следующие химические реакции:
С + 02 = 2С02 [углекислый газ] 2Н2 + 02 = 2Н20 [вода]
Из реакций окисления видно, что при сгорании топлива образуется вода. Эта вода в процессе сгорания топлива испаряется (переводится в газообразное состояние). Для перевода воды в пар затрачивается некоторое количество тепловой энергии АН, получаемой при сгорании топлива. Величину АН называют скрытой теплотой парообразования. Вода в газообразном состоянии покидает пределы цилиндра двигателя, не конденсировавшись. В этом случае она уносит с собой некоторое количество энергии АН, затраченное на перевод ее в газообразное состояние. Поэтому при работе двигателя используется не вся тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива. Следовательно, в цикле работы двигателя используется меньшее количество энергии в тепловой форме.
На практике теплотворную способность Н0 топлива определяют не для произвольной массы, а для единицы массы (грамм, килограмм). Величину Ни, численно равную
Яи = Я0-ДЯ, (15.126)
Называют низшей теплотворной способностью топлива. Тогда величину Н0 называют высшей теплотворной способностью топлива.
Ниже приводится значение низшей теплотворной способности топлива, применяемого в ДВС:
|
Вид топлива |
Низшая теплотворная способность Яи, Кг |
|
Бензин Дизельное топливо |
44 000 42 500 |
Следовательно при сгорании 1 грамма бензина выделяется 44 кДж тепловой энергии (без учета ее затрат на испарение воды), а при сгорании 1 грамма дизельного топлива —42.5 кДж тепловой энергии.
Если в течение одного цикла в цилиндре двигателя подается дц грамм топлива, так называемая цикловая подача, то при его сгорании выделится следующее количество энергии в тепловой форме:
Qo = q*Hu. (15.127)
Например, если в цилиндр двигателя поступает за 1 цикл работы двигателя 0.5 грамм бензина, то при его полном сгорании выделится
Qo = ЯцНи = 0.5 [г] • 44 = 22 кДж = 22000 Дж.
За 1 час работы двигателя сгорает <7Т килограмм топлива, а поэтому за это время будет получено следующее количество энергии в тепловой форме:
Qo = 1000 • GTHX
В тепловом двигателе желательно всю тепловую энергию, полученную при сгорании топлива, преобразовать в полезную (индикаторную работу Li). Но в циклически работающих машинах (к ним относятся и ДВС) нельзя полностью преобразовать энергию из тепловой формы в механическую форму. При этом часть тепловой энергии, полученной при сгорании топлива, будет потеряна из-за нагрева стенок цилиндра, которая в дальнейшем передается в систему охлаждения двигателя.
Часть тепловой энергии покидает цилиндр двигателя вместе с отработавшими газами. В соответствии с вторым законом термодинамики, часть тепловой энергии при работе машины по замкнутому циклу, должна отводится в окружающую среду (в низкотемпературный источник). Роль высокотемпературного источника тепловой энергии в ДВС исполняет топливо, сгораемое в цилиндре. А роль низкотемпературного источника (охладителя) в ДВС исполняет окружающая среда, в которую вместе с отработавшими газами «сбрасывается» часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от высокотемпературного источника. Поэтому процессы впуска и выпуска рабочего тела в ДВС эквивалентны в некотором смысле отводу части тепловой энергии от рабочего тела в окружающую среду. Процессы смены рабочего тела в реальных конструкциях тепловых машин позволяют замкнуть цикл их работы.
|
(15.128) |
|
|
|
Теплота, преобразованная в индикаторную работу цикла Теплота, уносимая Ему охлаждения |
|
Теплота, уносимая с отработавшими газами |
|
Рис. 15.22. Условный тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания следующее количество энергии в тепловой форме: |
|
■$Ш Теплота, уносимая в процессе ЩШ теплового излучения (прочие ш потери) |
|
Теплота, преобразованная в положительную работу в процессе расширения и затраченная на сжатие рабочего тела |
На рис. 15.22 показана условная схема теплового баланса двигателя. Часть тепловой энергии, выделившейся при сгорании топлива, непосредственно передается стенкам расширительной машины двигателя (цилиндру, головке, клапанам, поршню и др. деталям). Чтобы эти детали не
вышли из строя, их охлаждают. Поэтому часть тепловой энергии отводится в систему охлаждения двигателя. Эти потери энергии являются непроизводительными, так как энергия не используется для удовлетворения потребностей машины. Решение проблемы заключается в создании материалов, которые не поглощают тепловой энергии. В этом случае стенки расширительной машины могут быть изготовлены из абсолютного теплоизолятора. Необходимость в системе охлаждения в таком случае отпадает. Однако к настоящему времени подобные материалы, выдерживающие высокие тепловые и механические нагрузки, пока не созданы. Уносимая с отработавшими газами тепловая энергия не представляет собой потери, так как «сброс» тепловой энергии в циклически работающей машине предусмотрен вторым законом термодинамики. Однако уносимая с отработавшими газами тепловая энергия может быть утилизирована с помощью специальных устройств. Ее можно использовать для привода турбины компрессора (используется в турбокомпрессорах) или для нагрева некоторых тел. Однако уменьшение «сброса» тепловой энергии является актуальной задачей.
Часть тепловой энергии уходит на нагрев масла, а также рассеивается в окружающую среду путем излучения. Как правило, такие непроизводительные потери энергии относят к прочим. Они трудно поддаются конкретному учету (их можно учесть в общем случае).
Основная часть тепловой энергии преобразуется в механическую энергию в результате расширения рабочего тела (положительная работа). Однако часть полученной механической энергии сразу же будет затрачена на сжатие рабочего тела, т. е., возвращена обратно в цикл. Поэтому только часть тепловой энергии преобразуется в индикаторную (полезную) работу W^
Отношение полезной (индикаторной) работы Wi к общему количеству тепловой энергии Q0, выделяющейся при сгорании топлива, называют Индикаторным КПД цикла:
= (15.129)
За один час работы рабочее тело в цилиндре двигателя совершает следующее количество циклов:
(«.«о)
Тогда индикаторная работа, совершаемая рабочим телом в цилиндре двигателя за 1 час, равна:
Ттг ЗбООп т.
Если двигатель многоцилиндровый, то последнее выражение будет иметь вид:
W-^ftVW. (15.131)
Из выражения (15.125) определим часовой расход топлива двигателем:
Подставим выражение (15.132) в выражение (15.128):
Qo = шюНи’1000 = Ni9iH*M (15ЛЗЗ)
Подставим выражение (15.122) в выражение (15.133):
Qo = Pivh^Hu (15134)
OUT
Подставляя выражения (15.131) и (15.134) в отношение (15.129), получим:
Индикаторный КПД г/* является четвертым оценочным параметром протекания рабочего цикла двигателя.
Для современных бензиновых двигателей значение индикаторного КПД равно примерно щ = 0.28…0.38, а для дизельных двигателей ^ = 0.42… 0.52.
Индикаторные показатели протекания рабочего цикла двигателя условно можно разделить на две группы:
• энергетические показатели (W^ р{)\
• экономические показатели (ди г/»).
Индикаторные показатели характеризуют потенциальные возможности рабочего цикла двигателя при определенных условиях его протекания. Они еще не описывают потенциальные возможности двигателя в целом.
Реально при работе двигателя часть механической энергии (индикаторной работы) будет затрачена на привод некоторых агрегатов самого двигателя, без которых он не может работать. При этом часть механической энергии в результате трения деталей (поршня о стенку цилиндра, коленчатого вала в подшипниках) преобразуется в тепловую форму. Силы трения, возникающие в узлах двигателя, приводят к диссипации механической энергии.
Из-за затрат механической энергии на привод агрегатов двигателя и ее диссипации в местах трения деталей на выходе из двигателя получается меньшее количество механической энергии:
We = Wi— WUi (15.136)
Где We — суммарная эффективная работа, которую может совершить двигатель; Wi — суммарная индикаторная работа, которую совершает рабочее тело в цилиндрах двигателя; Wu — суммарные затраты и потери механической энергии на привод агрегатов и узлов двигателя и преодоление сил трения, обуславливающих ее диссипацию.
По формуле (15.119) определим условное среднее эффективное давление рабочего тела:
W W—W Ре = £ = ^тг^1 • (15-137)
Ун Vh
Так как We < W», то ре < р». В бензиновых двигателей условное среднее эффективное давление равно ре « 0.6… 0.95 МПа, а в дизельных двигателях — ре« 0.55… 0.85 МПа.
Эффективная мощность двигателя определяется по формуле (15.122):
= = (15.138)
Е 30т 30т v ‘
Эффективная мощность двигателя представляет собой количество механической энергии, снимаемой с коленчатого вала в единицу времени.
Величину, численно равную
Называют удельным эффективным расходом топлива.
Эффективный КПД двигателя определяется по формуле:
Ve = тг— • (15.140)
Jtlu9E
Эффективные показатели позволяют оценить эффективность работы двигателя в целом, в то время как индикаторные показатели позволяют оценить эффективность протекания рабочего цикла.
На практике может иметь место случай, когда индикаторные показатели протекания рабочего цикла высокие, а энергетические показатели — низкие. Это говорит о том, что внутри двигателя имеют место существенные потери механической энергии. В этом случае должны быть предприняты конструктивные мероприятия, снижающие потери механической энергии внутри двигателя.
Индикаторные показатели протекания рабочего цикла двигателя с определенной степенью точности могут быть определены в процессе теплового расчета. Для определения эффективных показателей двигателя требуется знать потери механической энергии внутри него1. На этапе проектирования двигателя эти потери неизвестны, хотя на основе статистических данных они могут быть предварительно оценены.
Механические потери в двигателе оцениваются механическим КПД г/м, определяемым по формуле
= (15.141)
Для бензиновых двигателей значение механического КПД находится в пределах 0.70… 0.85, а дизельных — 0.7… 0.82.