ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Показатели поршневого ДВС следует разделить на индикаторные и эффективные. Индикаторные показатели отражают степень совершенства цикла, реализуемого в данном конкретном двигателе, и учитывают только тепловые потери реального цикла рассматриваемого двигателя.

К индикаторным показателям обычно относят: среднее индикаторное давление , Па; индикаторная мощность , кВт; индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива , г/кВт*ч.

Индикаторные показатели предварительно определяют расчетным путем и уточняют на основе статистических данных по результатам стендовых испытаний опытных образцов двигателей.

Среднее индикаторное давление представляет собой удельную работу цикла, т.е. индикаторную работу цикла , Дж, отнесенную к рабочему объему цилиндра двигателя , м³:

Очевидно, что индикаторную работу цикла можно представить как площадь прямоугольника длиной и высотой в диаграмме, а среднее индикаторное давление – как условное постоянное избыточное давление, которое, действуя на поршень, совершает за рабочий ход поршня работу, равную работе цикла .

Для установления степени достоверности расчетных данных по среднему индикаторному давлению при проведении испытаний двигателя на исследуемом установившемся режиме работы двигателя производится снятие индикаторной диаграммы. При этом важно, чтобы индикаторная диаграмма была осредненной по большому количеству циклов. Индикаторная диаграмма, снятая в координатах давление – угол поворота коленчатого вала , перестраивается в координаты с использованием известных из кинематики кривошипно-шатунного механизма зависимости хода поршня от угла поворота коленчатого вала ; безразмерной длины шатуна - отношения радиуса кривошипа к длине шатуна и радиуса кривошипа , м;

В перестроенной диаграмме, методом планиметрирования, или иным доступным численным методом, определяется площадь диаграммы, которая равна индикаторной работе цикла, из которой определяется среднее индикаторное давление.

Индикаторная мощность, как мощность выделяемая в цилиндре, равна работе в единицу времени:

где - число цилиндров двигателя; - продолжительность одного цикла, с.

Продолжительность цикла можно определить, используя частоту вращения коленчатого вала двигателя , об/мин и коэффициент тактности двигателя , как:

Тогда выражение для расчета индикаторной мощности в кВт через среднее индикаторное давление представится в виде:

Попутно необходимо отметить, что коэффициент тактности равен 2 для четырехтактного и 1 для двухтактного двигателя.

Удельный индикаторный расход топлива является показателем, характеризующим эффективность цикла и, следовательно, экономичность работы двигателя. Этот индикаторный параметр измеряется в г/кВт*ч и определяется из часового расхода топлива , кг/ч.

Зная расход топлива, низшую теплотворную способность топлива и индикаторную мощность двигателя можно рассчитать индикаторный КПД двигателя из:

или

Все вышеприведенные индикаторные показатели отражают протекание внутрицилиндровых процессов и являются малоэффективными для определения потребительских характеристик двигателя. Для составления более полного впечатления о потребительских качествах двигателя используют эффективные параметры.

Эффективные параметры определяют не только тепловые, но и механические потери в двигателе при выдаче мощности потребителю на фланец отбора мощности. К эффективным параметрам относятся: эффективная мощность , кВт, среднее эффективное давление , Па, удельный эффективный расход топлива , г/кВт*ч и эффективный КПД .

При проведении стендовых испытаний двигателя, выделяемая мощность двигателя гасится специальным нагружающем устройством, например, гидротормозом, которое регистрирует крутящий момент , кН*м, развиваемый двигателем на фланце отбора мощности.

Мощность, развиваемая двигателем на выходном фланце – фланце отбора мощности называется эффективной и определяется как:

По аналогии с индикаторной мощностью, мы в праве записать, что

Из выражения следует, что среднее эффективное давление это некоторое постоянное условное избыточное давление в цилиндре двигателя, которое, действуя на поршень, за один его ход от верхней до нижней мертвой точки, совершает работу, равную эффективной работе цикла. Которая и определяет эффективную мощность двигателя. В современных поршневых ДВС среднее эффективное давление может достигать 2,8 мПа.

Из проведенных размышлений следует, что на выходной фланец отбора мощности двигателя выдается только часть мощности, развиваемой в цилиндрах (индикаторной мощности). Частично же индикаторная мощность затрачивается в самом двигателе на преодоление механических потерь. Условно можно представить мощность механических потерь , как сумму:

Рассмотрим слагаемые вышеприведенного выражения. Мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в механизмах двигателя ,в отдельных случаях может достигать до 80% от и определяется, в основном, силами трения поршня и поршневых колец о зеркало цилиндра ввиду значительных действующих сил и неблагоприятных условий смазки.

это мощность, затрачиваемая на совершение насосных ходов на тактах газообмена. Она редко превышает в атмосферных двигателях 2,5% от , однако при установке в выпускных трактах устройств, имеющих существенное гидравлическое сопротивление, например, утилизационных котлов, сажевых фильтров и т.п., потери насосных ходов могут резко возрасти. Также необходимо отдельно отметить, что при использовании систем эффективного газотурбинного наддува, потери насосных ходов могут быть сведены к нулю в связи с превышением давления наддува противодавления перед турбиной.

это та мощность, которая затрачивается на привод навесных агрегатов. Следует иметь ввиду, что при использовании приводных агрегатов наддува (или продувки) эта составляющая может достигать до 10 – 15% от .

И, наконец, мощность вентиляционных потерь обуславливается сопротивлением окружающей среды движению деталей в двигателе. Для правильно сконструированного двигателя эта величина ничтожно мала (за исключением двухтактных двигателей с кривошипно-камерной системой продувки).

Рассматривая механические потери, уместно будет ввести понятие механического КПД двигателя, как отношение эффективной мощности к индикаторной.

Значения механического КПД на номинальном режиме работы двигателя для известных конструкций составляют от 0,7 до 0,96. Очевидно, что на режиме холостого хода, когда , механический КПД двигателя также равен нулю.

Из определения механического КПД двигателя следует, что

А, следовательно,

и

Также, по аналогии с удельным индикаторным расходом топлива, удельный эффективный расход может быть получен из:

А эффективный термический КПД:

Или же

Работа двигателя всегда происходит на некоторых так называемых режимах. При этом режимы работы могут быть установившимися и неустановившимися. Под установившимся режимом работы двигателя мы будем понимать такое состояние работающего двигателя, когда все параметры его работы остаются неизменными на протяжении некоторого времени. Соответственно, все остальные режимы работы будут неустановившимися. В качестве примера неустановившегося режима можно рассматривать пуск и прогрев двигателя (постоянно изменяется температура охлаждающей жидкости), процесс реверсирования (изменяются обороты), остановку двигателя и, в самом общем случае, переход с одного установившегося режима работы на другой.

Если мы примем какой либо параметр работы двигателя за определяющий и проследим зависимость показателей работы двигателя от определяющего параметра на установившихся режимах, мы получим характеристику двигателя. Основными характеристиками принято считать нагрузочные (определяющий параметр – мощность или среднее эффективное давление) и скоростные (определяющий параметр – частота вращения коленчатого вала). Также весьма информативными являются комбинированные и регулировочные характеристики.

Характеристики снимают при проведении стендовых испытаний двигателей, поскольку специально оборудованный стенд позволяет получить максимальную и достоверную информацию об основных параметрах работы. Так, задавая при постоянной частоте вращения коленчатого вала двигателя разные значения мощности (крутящего момента сопротивления нагружающего устройства) и регистрируя на установившихся режимах интересующие параметры, получаем нагрузочную характеристику.

Самый характерный пример агрегата, работающего по нагрузочной характеристике – дизель-генераторная установка, когда поддержание постоянной частоты вращения коленчатого вала требуется для обеспечения стабильной частоты переменного тока.

Нагрузочная характеристика интересна тем, что измеренный расход топлива на точках нагрузочной характеристики представляет собой зависимость, близкую к линейной. Пересечение линии расхода топлива с осью ординат, в случае экстраполяции, дает значение мощности механических потерь и позволяет определить механический КПД двигателя, как это показано на рис 11.1.

Рис.11.1. Нагрузочная характеристика дизельного двигателя

Следующий вид характеристик, которые мы должны рассмотреть, это скоростные характеристики. В отличие от нагрузочной, определяющим параметров скоростной характеристики является частота вращения коленчатого вала двигателя. Скоростные характеристики, представленные на рис.11.2, снимают при отключенном регуляторе частоты вращения и при неизменном положении рейки топливного насоса высокого давления. Различают абсолютные внешние характеристики, предела дымления, внешние и частичные скоростные характеристики.

Рис. 11.2. Скоростные характеристики

Абсолютная внешняя скоростная характеристика (поз. 1 рис 11.2) объединяет режимы максимально возможной мощности двигателя для данной частоты вращения коленчатого вала. Работа двигателя по абсолютной внешней характеристики в эксплуатации совершенно недопустима, поскольку связана с высокой теплонапряженностью деталей цилиндропоршневой группы, высоким расходом топлива и повышенным дымлением.

Зависимость мощности при которой начинает проявляться дымление на выхлопе от оборотов коленчатого вала называют скоростной характеристикой предела дымления. Как и в случае с абсолютной внешней характеристикой, работа двигателя на таких режимах в эксплуатации не допускается.

С целью предотвращения выхода двигателя на режимы рассмотренных выше скоростных характеристик, рейка топливного насоса высокого давления имеет упор, который отрегулирован с запасом приблизительно на 10 - 15% от цикловой подачи до границы дымления.

Работа двигателя при положении рейки на упомянутом упоре максимальной подачи формирует ограничительную скоростную характеристику по топливному насосу (поз. 2 на рис. 11.2). Иначе эта характеристика называется внешней характеристикой максимальной мощности. Эта характеристика допустима в эксплуатации, однако суммарная продолжительность работы на ее режимах допускается не более 10% от ресурса двигателя, а продолжительность работы – не более 1 часа.

Скоростная характеристика, снятая при положении рейки, которое соответствует режиму номинальной мощности на номинальной частоте вращения коленчатого вала, представленная поз. 3 рис. 11.2, называется внешней скоростной характеристикой.

Частичные скоростные характеристики (поз. 4, рис. 11.2) снимают на установившихся режимах при положении рейки, обеспечивающем цикловые подачи меньше, чем на номинальном режиме. Очевидно, что таких характеристик может быть снято бесконечно много.

Примером работы двигателя по скоростным характеристикам может служить двигатель автотранспортного назначения, снабженный двухрежимным регулятором, поскольку на эксплуатационных частотах вращения вала (за исключением предельных и оборотов холостого хода), орган управления оборотами имеет жесткую связь с рейкой ТНВД.

Главный двигатель судовой энергетической установки с винтом фиксированного шага работает по характеристике, называемой винтовой. Винтовая характеристика, показанная на рис. 11.3, является частным случаем скоростной характеристики. При снятии винтовой характеристики на стенде, принимают за основу то, что изменение мощности двигателя от оборотов происходит по кубической зависимости, при этом график зависимости проходит через точку номинального режима (номинальная мощность и номинальные обороты).

Рис. 11.3. Винтовая характеристика судового ДВС

Реальная винтовая характеристика отлична от стендовой, так как зависимость мощность главного судового двигателя от оборотов не совсем кубическая и зависит кроме всего прочего и от коэффициента момента гребного винта.

Коэффициент момента гребного винта - величина переменная и главным образом зависит от относительной поступи гребного винта. Относительная поступь гребного винта, в свою очередь, зависит от скорости судна и достигает максимума при неподвижном судне. Следовательно, если при постоянной частоте вращения гребного винта скорость судна снижается, то мощность двигателя возрастает и достигает максимума при полной остановке судна.

Винтовая характеристика, снятая при неподвижном судне, называется швартовной (поз. 1, рис. 11.3). В связи с тем, что при снятии швартовной характеристики мощности, снимаемые с двигателя максимальны, во избежание перегрузки двигателя предельная скорость вращения вала должна быть на 20% ниже номинальной.

Винтовая характеристика, снятая при движении судна с расчетной номинальной нагрузкой на глубокой воде называется нормальной, если она проходит через точку номинального режима работы двигателя (поз. 3, рис. 11.3). Если двигатель имеет запас мощности (гребной винт «легкий»), то такая винтовая характеристика называется облегченной - поз. 4 на рис. 11.3. Когда двигатель работает на «тяжелый» винт, то снятая винтовая характеристика называется утяжеленной, см. поз 2, рис 11.3.

Для обеспечения требуемых параметров настройки работы двигателя на конкретном режиме используются регулировочные характеристики. В качестве определяющего параметра в таких характеристиках могут использоваться различные показатели работы двигателя – угол опережения подачи топлива; экологические параметры работы двигателя; максимальное давление, развиваемое в цилиндре; температура отработавших газов и т.д. В качестве примера, на рис. 11.4 приведена регулировочная характеристика зависимости удельного эффективного расхода топлива от установки угла опережения подачи топлива.

Рис. 11.4. Регулировочная характеристика дизельного двигателя

Как очевидно, такая характеристика позволяет определить оптимальный угол опережения подачи топлива с точки зрения достижения максимальной топливной экономичности двигателя.