Конспект лекций СДВС 2014. Конспект лекций по курсу двс (сдвс) Николаев 2014 Содержание

• Название: Конспект лекций по курсу двс (сдвс) Николаев 2014 Содержание
• Анкор: Конспект лекций СДВС 2014.doc
• Дата: 29.09.2017
• Размер: 4 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций СДВС 2014.doc
• Тип: Конспект лекций; #9063
• страница: 7 из 7

Тема 8. Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя.
Индикаторные показатели работы двигателя

Показатели работы двигателя подразделяются на индикаторные (внутренние), характеризующие совершенство рабочего цикла в цилиндре и учитывающие только тепловые потери в самом цилиндре, и эффективные (внешние), учитывающие помимо тепловых и механические потери, которые имеются при передаче энергии расширения газов через поршень и кривошипно-шатунный механизм на коленчатый вал двигателя

К индикаторным показателям двигателя относятся среднее индикаторное давление р_і индикаторная мощность N_i, индикаторный удельный расход топлива g_i и индикаторный КПД η_i.

В результате осуществления цикла тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, с известной степенью совершенства (определяемой индикаторным КПД) превращается в полезную работу, развиваемую газами в цилиндре двигателя и называемую индикаторной работой цикла L_i. При этом давление в цилиндре непрестанно меняется.

Для удобства ведения расчетов и сравнения разных двигателей переменные по ходу поршня давления можно заменить постоянным (фиктивным) давлением, которое обеспечивает получение той же работы, что и цикл с переменным давлением. Это среднее постоянное давление называется средним индикаторным давлением p_i. Следовательно, под средним индикаторным давлением подразумевается условное постоянное давление p_i действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее за один цикл работу, равную индикаторной работе замкнутого цикла. Графически среднее индикаторное давление представляет собой высоту прямоугольника, площадь которого раина площади индикаторной диаграммы, а основание – длине диаграммы (рис, 8.1).

Среднее индикаторное давление позволяет сравнивать любые циклы и двигатели любых типов по мощностным показателям независимо от способа осуществления рабочих процессов. Двигатели, в которых получаются большие средине индикаторные давления, будут развивать при прочих равных условиях (такт-ность, размеры и число цилиндров, частота вращения) большую мощность.


Рис. 8.1. К определению среднего индикаторного давления
Среднее теоретическое индикаторное давление р_i^’ может быть выражено как отношение индикаторной работы цикла L’_i к рабочему объему цилиндра V_s:



Таким образом, среднее индикаторное давление представляет собой удельную работу цикла, т. е. работу, приходящуюся на единицу рабочего объема цилиндра.

Из расчетной теоретической индикаторной диаграммы (рис. 8.1) найдем полезную индикаторную работу газов для смешанного цикла в виде алгебраической суммы индикаторных работ отдельных процессов:



где L_cy – работа процесса подвода теплоты при V = const; из-за отсутствия изменения объема L_cy = 0; L_yz– работа процесса подвода теплоты при р = const; L_zb –работа процесса расширения при n₂ = const; L_ac – работа процесса сжатия при n₁ = const.

В результате получим окончательное выражение для среднего теоретического индикаторного давления



Действительное среднее индикаторное давление для четырехтактных ДВС



где – коэффициент скругления индикаторной диаграммы, который представляет собой отношение площади действительной индикаторной диаграммы к площади теоретической индикаторной диаграммы. Для четырехтактных двигателей ξ = 0,90.,,0,96.

Скругление диаграммы у точки с на действительной индикаторной диаграмме объясняется опережением подачи топлива; у точек у и z – конечной скоростью сгорания топлива и, наконец, в конце хода расширения у точек b и а – предвареннем открытия выпускного клапана.

В двухтактных двигателях jбычно принимают, что хвостовая часть диаграммы полностью компенсирует потери на скругление. Тогда действительное среднее индикаторное давление двухтактных двигателей, отнесенное к полному ходу поршня, может быть определено как



Мощность двигателя, соответствующая индикаторной работе замкнутого цикла, называется индикаторной мощностью:



Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя:



К потерям относятся потери теплоты от неполноты сгорания топлива и в результате теплообмена рабочего тела со стенками рабочего цилиндра. Все тепловые потери в расчетном цикле реального двигателя учитываются индикаторным КПД, который является критерием совершенства использования теплоты, подведенной к рабочему телу с топливом.

Индикаторный КПД представляет собой отношение количества теплоты, преобразованной в индикаторную работу (работу, развиваемую газами в цилиндре реального двигателя), к количеству теплоты, подведенной для совершения этой работы:

;

;

;

где G_т – часовой расход топлива, кг/ч; Q_н – низшая теплота сгорания, кДж/кг.

Удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВт·ч):

или

где – часовой расход топлива, кг/ч.
Эффективные показатели работы двигателя

К эффективным показателям двигателя относятся среднее эффективное давление р_е эффективная мощность N_e эффективный КПД η_e и удельный эффективный расход топлива g_е.

Среднее эффективное давление р_е представляет собой условное среднее постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе н совершающее работу, эквивалентную полезной эффективной работе, передаваемой через выходной фланец коленчатого вала на винт или другой потребитель. Другими слонами, среднее эффективное давление р_е представляет собой удельную эффективную работу двигатели.

Среднее эффективное давление, учитывающее кроме тепловых все механические потери, определяется из выражения



При оценке эффективных показателей на основании расчета рабочих процессов двигателя среднее эффективное давление определяют в зависимости от среднего индикаторного давления расчетного цикла и принятого значения механического КПД



Среднее эффективное давление ре является одним из важнейших показателей рабочего цикла, характеризующих степень эффективности использования объема рабочего цилиндра, уровень освоения наддува и, наконец, совершенство изготовления двигателя в целом.

Эффективная мощность N_e, так же как и р_е, учитывает тепловые и механические потери в двигателе:



Для перехода от N_i к N_e обычно используют механический КПД значение которого известно для всех основных режимов работы двигателя (по результатам стендовых испытаний):



Приведенные выше формулы для индикаторной мощности можно использовать для определения N_e:





Эффективный КПД:







Удельный эффективный расход топлива:

.

Тема 9. Наддув ДВС как способ повышения технико-экономических показателей. Схемы наддува. Особенности рабочего процесса двигателя с наддувом. Способы использования энергии отработавших газов.
Повысить мощность дизеля при сохранении размеров цилиндров, их числа и частоты вращения коленчатого вала можно за счет увеличения цикловой подачи топлива. Качественное сгорание увеличенных доз топлива в цилиндрах обеспечивается возросшим воздушным зарядом. Размещение такого заряда в цилиндрах с сохранившимся объемом возможно лишь при повышении плотности воздуха.

Увеличение массы воздушного заряда цилиндра при газообмене за счет предварительного сжатия воздуха в компрессорах называют наддувом. Поскольку при сжатии воздуха в современных компрессорах он интенсивно нагревается, а это ведет к снижению плотности воздушного заряда н возрастанию тсплонапряженности деталей ЦПГ наддувочный воздух необходимо охлаждать. Наддувочные компрессоры современных ДВС получают энергию от газовых турбин, работающих на отработавших газах. Как правило, турбина и компрессор объединены в одном агрегате – турбокомпрессоре. Таким образом, современные дизели с наддувом – это поршневые двигатели с турбокомпрессорами и охладителями наддувочного воздуха.

Использование энергии выпускных газов. При выпуске из цилиндра газ обладает энергией, часть которой теряется еще до поступления газового потока в сопловой аппарат турбины. Потери энергии определяются особенностями газовыпускного тракта и параметрами отработавших газов.

Наглядное представление об использовании энергии выхлопных газов дает условная схема совмещенных индикаторных диаграмм турбины и поршневого двигателя (рис. 9.1). Процесс расширения в поршневом двигателе после НМТ представлен как бы происходящим в цилиндре с продолжающим увеличиваться объемом. Действительный же процесс расширения газов после открытия выпускных органов связан с истечением газов в выпускной коллектор, в процессе которого происходят взаим­ные превращения кинетической и потенциальной энергий, со­провождаемые потерями. Площадь индикаторной диаграммы, относящейся кработе газов внутри реального цилиндра, долж­на расцениваться как эквивалент действительно совершаемой внутри цилиндра работы. При этом площади диаграммы, соот­ветствующие работе газов вне цилиндра, следует рассматривать как потенциальные энергетические возможности отработавших газов и учитывать неизбежность необратимого рассеивания ча­сти их энергии до поступления на сопловой аппарат турбины.



Рис. 9.1. Схема совмещенных индикаторных диаграмм поршневого

двигателя и турбины в период процесса выпуска
В соответствии с рассмотрением в термодинамике циклов поршневых двигателей с наддувом, площадь b'еа'b' должна отображать энергию E₁ отработавших газов в период свобод­ного выпуска непосредственно за выпускными органами. Большая часть энергии E₁из-за преобладания в ней доли кине­тической составляющей в основном расходуется на преодоление потерь в системах с постоянным давлением в выпускном кол­лекторе. Некоторое количество этой энергии превращается в теплоту, что может быть отражено на диаграмме увеличением объема выпускных газов ΔV. После смешения газовых потоков в общем коллекторе устанавливается давление р_т. При срабатывании перепада давлений от р_т до р_о совершается работа в турбине постоянного давления с использованием энергии Е₂ отображаемой площадью е'f'ige'. Если применить систему наддува с импульсной турбиной или с преобразователями импульсов, то можно увеличить долю использования энергии E₁ в турбине, уменьшив соответствующие потери. При малых объемах выпускных коллекторов, характерных для импульсных систем наддува, давление газа, его температура и скорость перед турбиной будут переменными.

Из-за сложности определении параметров импульсной турбины на основе методик, учитывающих особенности действительно протекающих процессов, применяют упрошенные способы соответствующих оценок. В частности, располагаемую энергию изобарной турбины принимают за достигнутый минимум, а при необходимости более высокой энергии на валу турбины учитывают возможность срабатывания части энергии E₁ введением эмпирических поправок. Для этой цели используют коэффициент импульсности k_и, равный отношению средних за цикл удельных адиабатных работ расширения импульсной и изобарной турбин при одинаковых параметрах поршневой части двигателя. Рекомендации по выбору k_и связывают с отношением E₁/E₂ которое определяет возможность получения на турбине дополнительной энергии за счет рационального срабатывания импульса. Отношение E₁/E₂ убывает с ростом давления наддува, в связи с чем применять импульсные системы наддува при высоких р_s нецелесообразно. В большей мере это относится к главным судовым двигателям, преимущественно работающим на режимах, близких к номинальному. Для судовых дизель-генераторов, работающих в широком диапазоне нагрузок, которые обычно существенно меньше номинальной, применение импульсных систем наддува может оказаться целесообразным и при невысоких давлениях наддува, соответствующих номинальному режиму.

Схемы комбинированных двигателей внутреннего сгорания (КДВС). Компрессоры, газовые турбины и охладители сочетаются с поршневой частью в КДВС на основе разнообразных схем, которые отображают, с одной стороны, особенности воздухоснабжения двигателя, а с другой – особенности использования энергии выпускных газов поршневого двигателя в газовых турбинах.

В качестве классификационных признаков при анализе таких схем обычно выделяют:

– способ привода компрессоров;

– вид включения компрессоров в газовоздушный тракт двигателя (ГВТ) и их число;

– особенность потребления энергии, вырабатываемой газовыми турбинами КДВС (рис. 9.2);

– особенности конструкции и работы газовынускных систем (рис. 9.3).



Рис. 9.2 Схемы комбинированных судовых двигателей:

––––––– – воздух; ------------ – отработавшие газы
При механической связи (рис. 9.2 а), компрессор 4 воздуха приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя 1 через механическую передачу – мультипликатор, повышающий частоту вращения вала компрессора. Такая схе­ма применяется в дизелях с низкой степенью наддува, а также в двухтактных дизелях без наддува. Основным недостатком рас­смотренной схемы является то обстоятельство, что на привод компрессора затрачивается значительная работа (мощность) двигателя, полученная в рабочем цилиндре. Это, в свою очередь, приводит не только к снижению мощности двигателя, но и к падению его экономичности.

Газовая связь турбокомпрессора с поршневым двигателем показана на рис. 9.2, б–д. В схеме двигателя с импульсным наддувом (рис. 9.2, б, в) отработавшие газы из рабочих цилиндров поступают непосредственно в турбину 5, которая называется импульсной, так как в ней срабатывает импульс давления га­зов, поступающих из цилиндра. В схеме с изобарным газотур­бинным наддувом (рис. 9.2, г) отработавшие газы из цилиндров выходят в выпускной коллектор 6, а затем практически при по­стоянном давлении идут в изобарную турбину 7. В схеме дви­гателя с двухступенчатым газотурбинным наддувом (рис. 9.2, д) газы сначала срабатывают в импульсной турбине 5, а затем в изобарной 7. Во всех схемах воздух после сжатия в компрессоре перед подачей его в наддувочный (продувочный) ресивер 2 охлаждается в специальном охладителе 3.

В двухтактных судовых дизелях широкое распространение получила и комбинированная связь. При такой связи воздух сжимается как в турбокомпрессоре, так и в приводном компрес­соре. В малооборотных крейцкопфных дизелях в качестве при­водного компрессора нередко используют подпоршневые по­лости (рис. 9.2, е). В этом случае воздух после компрессора по­ступает в подпоршневые полости (ПП) 8, где он дополнительно сжимается, затем поступает в наддувочный ресивер. В за­ключительной стадии продувки давление воздуха в ПП падает и воздух от компрессора идет непосредственно в ре­сивер.

При изобарном наддуве в некоторых схемах на режимах малых нагрузок турбокомпрессор не обеспечивает потребное двигателю количество воздуха. Тогда на этих режимах включа­ются электроприводные компрессоры 9, специально установлен­ные на двигателе (рис. 9.2, г).



Рис. 9.3. Схемы выпускных систем

(с – сопла; d – смесительная камера; e – диффузор; f – ресивер; g – турбина)
Схемы КДВС могут также принципиально различаться в зависимости от газовыпускных систем. По этому признаку их можно разделить на 3 группы, К первой группе газовыпускных систем относятся системы, обеспечивающие постоянное давление газов в выпускном коллекторе. Такие системы выполняют с одним коллектором большого объема на весь двигатель или, как минимум, на один ряд цилиндров. Патрубки цилиндров подсоединяют к коллектору подряд (рис. 9.3, а). Такие системы просты по конструкции, имеют минимальные размеры и массу, но при транспортировке газа в таких системах теряется значительная часть его энергии. По сравнению с другими системами здесь имеются потери при внезапном расширении потоков на входе в общий коллектор, потери на диссипацию энергии волны давления при расширении в коллекторе, потери при наложении волн давления и разрежения и при смешении потоков с разными параметрами в общем коллекторе. При низких значениях давления наддува, когда энергия импульса соизмерима с энергией изобарного потока, эти потери существенны. При увеличении давления наддува отмеченные недостатки системы будут компенсироваться высоким КПД изобарной турбины, работающей при постоянном давлении газов.

Ко второй группе газовыпускных систем относятся системы с переменным давлением в коллекторе и перед турбиной (системы с импульсной турбиной). Эти системы конструктивно отличаются от предыдущих наличием нескольких коллекторов, объединяющих группы цилиндров по определенному правилу. Суть правила в том, что процесс выпуска газа в коллектор от каждого цилиндра должен пройти без наложения с аналогичными процессами в других цилиндрах, подключенных к этому же коллектору. Чтобы исключить такое наложение, процесс выпуска в общий коллектор из каждого цилиндра должен происходить при закрытых выхлопных клапанах прочих цилиндров,

В соответствии с изложенным максимальное число цилиндров, объединяемых общим коллектором при импульсной системе наддува, не должно превышать



где φ_вып – общая продолжительность процесса выпуска,

С учетом реальных значений фВЬш для всех типов двигателей i_Σ ≤ 3. При i > 3 к газоприемной улитке импульсной турбины подсоединяют от 1 до 4 выпускных коллекторов (рис. 9.3, b). Каждый выпускной коллектор работает на свою часть сектора сопловой решетки, которая отделена от соседних перегородками, чтобы избежать наложения волн из различных коллекторов. Из-за работы в условиях переменных параметров потока на входе импульсная турбина значительную часть времени работает на нерасчетном режиме, поэтому КПД импульсной турбины ниже, чем у турбины постоянного давления.

К третьей группе конструкций относятся газовыпускные системы с преобразователями импульсов. В этих системах кинетическая энергия импульсов преобразуется в потенциальную с возможным уменьшением потерь. В результате энергия газов перед турбиной в таких системах выше, чем в системах с постоянным давлением и большим объемом ресивера, но параметры газа перед турбиной имеют переменные значения. Амплитуда их колебаний существенно Ниже, чем в чисто импульсных системах, но все же выше, чем в системах первой группы. Системы с преобразователями импульсов могут иметь разные конструкции. В системе, представленной на рис. 9.3, в, смесительная камера служит для обмена энергией между высокоскоростными и низкоскоростными потоками, что позволяет передать энергию импульсов всей массе газа и увеличить среднюю скорость смешанного потока. В диффузоре за смесительной камерой за счет снижения скорости увеличивается давление. В ресивере происходит дополнительное выравнивание параметров потока перед турбиной.

Если i_Σ = 3, то амплитудно-фазовая характеристика кривой давления на выходе из коллектора благоприятнее для обеспечения более высокого КПД газовой турбины, чем при i_Σ < 3. В этом случае преобразователи импульсов можно выполнять без ресивера и диффузора или даже без смесительной камеры. Последний вариант отличается от импульсной схемы системы только тем, что выпускные коллекторы объединяются перед входом в газовую турбину. Такую конструкцию называют многоимпульсной системой.

Системы с преобразователями импульсов являются импульсными системами наддува, но введение преобразователей импульсов позволяет существенно снизить отрицательное свойство обычных импульсных систем – пониженный КПД импульсных газовых турбин. При этом сохраняется такое положительное качество, как энергетическое превосходство над системами с постоянным давлением в коллекторе большого объема. Это преимущество убывает с ростом давления наддува в соответствии с рассмотренными особенностями соотношения кинетической и потенциальной энергией в отходящих газах. Поэтому переход к новым конструкциям ДВС с увеличенным П_к обусловил отказ от чисто импульсных систем. В частности, известны попытки применения систем с расширением газов в двух турбинах – импульсной и изобарной (рис. 9.2, г). В такой схеме одна часть энергии выпускных газов при р = var используется d импульсной турбине, а вторая часть при р = const – в изобарной турбине, работающей с более высоким КПД. При дальнейшем форсировании двигателя наддувом доля энергии отходящих газов, которую можно получить при р_т = const, настолько выше доли при р_т = var, что от применения импульсной турбины можно полностью отказаться без существенных потерь энергии выпускных газов. В связи с этим для современных двигателей с высоким наддувом, преимущественно работающих на номинальном режиме, целесообразно применять системы наддува с постоянным давлением газов в газовыпускном коллекторе или изобарные системы.

Двигатели, работающие в широком диапазоне изменения нагрузок, необходимо обеспечить высокой экономичностью не только на номинальном режиме, по и при пониженных давлениях наддува. В судовых энергетических установках такие режимы характерны для двигателей электростанций. Эти двигатели в основном изготавливают с импульсными системами наддува.


Литература

1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей (под редакцией Орлина А.С. Круглова М.Г.) М., Машиностроение, 1983. –372с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей (под редакцией Орлина А.С. и Круглова М.Г.) М., Машиностроение, 1974. – 552с.

3. Фомин Ю.Я., Горбань А.И. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Учебник. Л. Судостроение, 1989.–334с.

4. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1977. – 392с.

5. Ленин И.И. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М. Машиностроение, 1969. – 212с.

6. Дьяченко Н.Х., Костин А.К. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания. Л., Машиностроение, 1974.-552с.

7. Архангельский В.И., Вихерт М.М. и др. Автомобильные двигатели. М., Машиностроение, 1967.– 496с.

8. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей (под редакцией Орлина А.С. и Круглова М.Г.) М., Машиностроение, 1985. – 456с.

9. Дизели. Справочник (под редакцией Ваншейдта В.А.) Л., Машиностроение, 1977. – 480с.

10. Гаврилов В.С., Кошкин С.В., Шмелев В.П.. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок. М., Транспорт, 1985.– 288с.

11. Хандов З.А.Судовые ДВС (конструкция и расчеты). М., Транспорт. 1968. – 320с.

12. Хандов З.А. Судовые ДВС (теория) М. Транспорт, 1969. – 304с.

13. Попов Г.С. Регулировка и испытание топливной аппаратуры дизелей. Методические руководства и указания к лабораторным работам. Николаев, 1973. – 36с.