Индикаторная и эффективная мощность дизеля.

Мощность дизеля - можно определить по индикаторной диаграмме. Предполагая, что рабочие циклы в многоцилиндровых двигателях протекают примерно одинаково и только смещены на угол (фазу) сдвига кривошипов коленчатого вала, можно считать, что мощность, развиваемая в отдельных цилиндрах, тоже одинакова, а мощность дизеля в целом равна сумме мощностей всех цилиндров.

Выражение для подсчета индикаторной мощности двигателя можно получить, вычислив работу L, выполненную газами в одном цилиндре за полный цикл:

L = P icp FS,

где P icp – среднее индикаторное давление, Н/м² или Па;

F – площадь поршня, м²;

S – ход поршня, м.

Площадь поршня определяется по формуле:

F = πD ² / 4

где D – диаметр поршня, м.

Среднее индикаторное давление получают в результате замены площади индикаторной диаграммы равновеликим прямоугольником, у которого ордината называется среднеиндикаторным давлением. Тогда работа, выполненная во всех цилиндрах дизеля за 1 мин:

L = P icp * πD ² / 4* S _ni *2*/ τ,

где п – частота вращения коленчатого вала, об/мин;

    i – число цилиндров дизеля;

    τ – тактность дизеля (τ = 2 – для двухтактного и τ = 4 – для четырехтактного двигателя).

Индикаторная мощность дизеля определяется по формуле:

N _i = 2P_i*V _h * ni / 60*10³ τ = P_i*V_h* ni / 30*10³ τ

где 10³ – коэффициент для переводамощности в киловатты.

Для получения индикаторной диаграммы применяют специальные приборы – индикаторы. В тихоходных ДВС (до 700 об/мин) используют механические индикаторы, а в быстроходных – электрические.

В зависимости от конструкции ДВС и его форсировки среднее индикаторное давление P_i МПа, может меняться в широких пределах:

Двухтактные двигатели:

10Д100 ………………………… 1,140

11Д45 …………………………. 1,100

14Д40 …………………………. 1,120

Четырехтактные двигатели:

ПД1М …………………............. 1,070

1Д49 …………………………... 2,095

1А-5Д49 ………………………. 1,385

Индикаторная мощность, полученная за счет работы газов в цилиндре двигателя, при передаче на коленчатый вал расходуется на трение поршней, подшипников шатунно-поршневой группы, на привод газораспределительного механизма, топливные насосы высокого давления, водяные, масляные и топливные насосы и другие механизмы, без которых невозможна работа дизеля. Эти затраты работы называются механическими потерями L _М, и соответствующая им мощность называется мощностью механических потерь N _М. Аналогично индикаторной работе:

L _М = V_h Р_М ,

где Р_М — среднее давление механических потерь.

Среднее эффективное давление Р_е представляет собой условное постоянное давление, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает работу, равную эффективной работе за цикл или это эффективная работа L _е за цикл, отнесенная к рабочему объему цилиндра:

Р_{е =} L _е / V_h

Эффективная мощность N_e подсчитывается так же, как и индикаторная, но вместо среднего индикаторного давления P_i в формулу подставляется среднее эффективное давление Р_е.

Коэффициент полезного действия дизеля.

Механическим КПД называется – отношение эффективной мощности к индикаторной.

Ƞ _М = N_e / N_i

Для современных дизелей ƞ_м = 0,8...0,88.

Эффективным КПД дизеля – называется отношение эффективной работы к количеству теплоты подведенной с топливом, и обозначается ƞ _e:

ƞ _e = 3600 / q_{e *} Q_h,

где q_e – удельный эффективный расход топлива, гДкВт ч);

    Q_h – низшая теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг.

При оптимальной нагрузке дизеля ƞ _e = 0,39 - 0,43.

Эффективный, индикаторный и механический КПД связаны между собой соотношением ƞ _e = ƞ _i ƞ м

Эффективность работы ДВС часто оценивают вместо КПД двигателя удельным расходом топлива q_e, т.е. расходом топлива на единицу его полезной (эффективной) работы, выраженным в г/(кВт ч) или г/(л.с. ч).

Удельный расход топлива определяется экспериментально при испытаниях двигателя, где измеряется расход топлива G дизелем за единицу времени работы, кг/ч, с постоянной мощностью N_e, кВт или л.с.

Тогда, q_e = G / N_e.

Современные тепловозные дизели имеют q_e на уровне 200 - 220 г(кВт.ч), или 150 - 180 г/(л.с. ч.).

Тепловой баланс дизеля.

Эффективность работы тепловозных двигателей характеризуется тепловым балансом, который отражает распределение введенной в двигатель теплоты по составляющим и выражается уравнением

Q t = Qe + Qr + Q b + Q М + Q н.в+ Q П p,

где Q_e – теплота, преобразованная в полезную механическую работу на коленчатом валу дизеля;

    Q _r – теплота, уносимая с отработавшими газами;

    Q _B – теплота, отводимая с охлаждающей водой;

    Q М – теплота, отводимая от дизеля со смазочным маслом;

    Q h. b теплота, отводимая от наддувочного воздуха;

    Q _ПР – прочие тепловые потери.

Составляющие теплового баланса можно определить только экспериментально на испытательном стенде, а теплота, внесенная в двигатель топливом определяется из выражения

Q_T = Q_HВ_ч ,

где Q_H – теплота сгорания дизельного топлива (примерно 42300 кДж/кг);

    В_ч — часовой расход топлива дизелем, кг/ч.

Характеристикой - называется зависимость основных показателей двигателя (мощности, крутящего момента, расхода топлива и др.) от режима его работы. Характеристики дизелей определяются экспериментально на стендах завода- изготовителя. Они вносятся в паспорт двигателя, и по ним оценивают эксплуатационные свойства, экономичность, надежность и области применения. Завод, выпускающий дизели, присваивает им заводскую марку (условное обозначение), например 10Д100, 1А-5Д49, ПД1М и т.д.

Стандартом предусмотрены единые правила обозначения типа двигателя: первое число обозначает количество цилиндров; буква «Ч» — четырехтактный; буква «Д» — двухтактный, буква «Н» – с наддувом; число в числителе указывает диаметр цилиндра в сантиметрах, а в знаменателе – ход поршня в сантиметрах. Например: 16 ЧН 26/26 – это дизель 1А-5Д49.

Режимы работы двигателя характеризуются нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала. Характеристики, определяющие зависимость мощности от частоты вращения коленчатого вала, называются скоростными характеристиками (Рис. 6.11).

 

Рис. 6.11. Скоростные характеристики:

N_e – эффективная мощность; п – частота вращения коленчатого вала; n_min – минимальная частота вращения коленчатого вала; n_mах – максимальная частота вращения коленчатого вала; А – точка, соответствующая номинальному режиму работы дизеля.

Если скоростная характеристика получена при полной подаче топлива, то она называется внешней скоростной характеристикой; характеристики, снятые при работе двигателя с неполной подачей топлива, называются частичными скоростными характеристиками.

На каждом скоростном режиме мощность может меняться от нуля (холостой ход) до максимального значения. Постоянство частоты вращения коленчатого вала при разных нагрузках требуется также в случае приведения в движение от двигателя таких машин, как, например, компрессоров, вентиляторов и т.п. Во всех этих случаях двигатель работает по нагрузочной характеристике. Нагрузочной характеристикой называется – зависимость показателей двигателя от эффективной мощности. По ней можно определить допустимую мощность для заданной частоты вращения коленчатого вала, а также выявить экономичность работы двигателя при различных нагрузках.

 

 

Позиция контроллера машиниста.

Рис. 6.12. Тепловозная (генераторная) характеристика дизеля:

N_e – эффективная мощность; п – частота вращения коленчатого вала; n_min – минимальная частота вращения коленчатого вала; п _max – максимальная частота вращения коленчатого вала; А – точка, соответствующая номинальному режиму работы дизеля.

На тепловозе с электрической передачей двигатель работает по тепловозной характеристике (Рис. 6.12), представляющей собой изменение мощности, расхода топлива и других параметров в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при определенном положении контроллера машиниста.