Меню

Формула индикаторной мощности двс



Основы теплотехники

Энергетические и экономические показатели работы ДВС

Действительная индикаторная диаграмма

Полезная работа, которую совершает поршень при перемещении внутри цилиндра, получается в результате частичного преобразования теплоты при сгорании топлива. Эту работу называют индикаторной.
Индикаторная работа соответствует площади, заключенной между кривой сжатия и кривой расширения на индикаторной диаграмме ( рис. 1).
Площадь на индикаторной диаграмме, заключенная между кривыми впуска и выпуска, соответствует работе, затраченной на процесс газообмена (насосные ходы поршня). Как известно, точки с и z‘, полученные на расчетной индикаторной диаграмме, не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате предварительного открытия клапанов и запаздывания их закрытия относительно ВМТ и НМТ поршня часть площади, соответствующей индикаторной работе, выпадает из индикаторной диаграммы (пунктирная линия b’bb”).

В результате площадь действительной индикаторной работы (сплошные линии) оказывается меньше расчетной (штриховые линии).
Для получения действительной индикаторной диаграммы используют коэффициент скругления φ i. Значения коэффициента скругления в зависимости от типа четырехтактного двигателя могут принимать значения от 0,92 до 0,97.

Индикаторные показатели

Индикаторными показателями называют показатели, характеризующие работу, совершаемую газами в цилиндре двигателя. Эти показатели определяют эффективность использования рабочего объема двигателя и степень преобразования выделяемой теплоты в полезную работу внутри цилиндров.
К индикаторным показателям относятся:

  • индикаторная мощность N i;
  • среднее индикаторное давление p i;
  • индикаторный КПД η i;
  • удельный индикаторный расход топлива g i.

Среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление – это условное постоянное по величине избыточное давление, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает работу, равную работе газов за весь цикл:

где L i – работа газов за один цикл в одном цилиндре двигателя; p i – среднее индикаторное давление; F – площадь поршня; S – ход поршня; V h – рабочий объем цилиндра.

Тогда можно записать:

Т. е. среднее индикаторное давление численно равно работе газов за цикл, отнесенной к единице рабочего объема. Таким образом, этот показатель оценивает степень эффективности использования объема цилиндра.

Значения p i могут быть получены расчетным путем или по индикаторным диаграммам. При расчете используют параметры характерных точек расчетных циклов. При этом работа расчетного цикла может быть выражена как разность работ расширения и сжатия:

где L’ yz + L’ zb — индикаторная работа расширения расчетного цикла двигателя, L’ ac – работа сжатия.

Так как работа (и среднее индикаторное давление) действительных циклов на самом деле меньше, чем расчетных циклов, то с учетом коэффициента скругления φ i индикаторной диаграммы:

С помощью индикаторной диаграммы можно найти среднее индикаторное давление, обозначив индикаторную работу через площадь F i:

где m р – масштаб диаграммы по оси ординат; l – длина диаграммы по оси абсцисс.

Индикаторная мощность

Индикаторная мощность N i – это мощность, которая развивается газами внутри цилиндра. В общем случае мощность – это скорость выполнения работы, т. е. работа, совершаемая в единицу времени. Работа газов в цилиндрах двигателя за 1 мин рассчитывается по формуле:

где n – частота вращения коленчатого вала; τ – число тактов; i – число цилиндров.

Тогда работа, совершаемая газами за 1 сек, т. е. индикаторная мощность будет равна:

Индикаторный КПД

Индикаторный КПД η i – это отношение теплоты, преобразованной в индикаторную работу Q i к общему количеству теплоты затраченного топлива Q 1:

где G тц – цикловая подача топлива; H и – низшая теплотворная способность топлива.

Индикаторные КПД характеризует экономичность действительного цикла. Он всегда меньше термодинамического КПД вследствие дополнительных потерь в действительном цикле, которые не учитываются при определении η i. К таким потерям относятся теплоотдача в стенки цилиндра, потери на неполноту и несвоевременность сгорания топлива, на диссоциацию (распад) продуктов сгорания.

Читайте также:  Задачи экономика предприятия производственная мощность

Для оценки степени уменьшения использования теплоты в действительном цикле по сравнению с термодинамическим циклом используют относительный КПД η o:

Индикаторный удельный расход топлива

Другим показателем, характеризующим экономичность действительного цикла, является индикаторный удельный расход топлива g i:

где G т – часовой расход топлива.

Удельный индикаторный расход топлива и индикаторный КПД связаны между собой отношением:

Из уравнения ( 6) получим:

Подставив это выражение в уравнение ( 2), получим:

Выразив цикловую подачу топлива в зависимости от цикловой подачи воздуха и коэффициента избытка воздуха, и подставив эти выражения в предыдущее уравнение, получим:

Факторы, влияющие на индикаторные показатели

На индикаторные показатели оказывают влияние следующие факторы:

1. Топливо

Изменение фракционного состава топлива в зависимости от способа смесеобразования приводит к ухудшению или улучшению индикаторных показателей.

2. Состав смеси

Для дизельных и карбюраторных двигателей состав смеси оказывает различное влияние ( рис. 2).
У карбюраторного двигателя наибольшее значение индикаторного КПД достигается при α = 1,05…1,1, когда имеет место полное и достаточно быстрое сгорание топлива.
У дизелей вследствие недостатков внутреннего смесеобразования топлива полностью сгорает при α = 2,5…4,0, чему способствует наибольшее значение индикаторного КПД. Уменьшение коэффициента избытка воздуха от указанных значений приводит к недогоранию топлива, увеличению тепловых потерь с воздухом, не участвующим в горении.

3. Угол опережения зажигания

С увеличением угла опережения зажигания увеличивается максимальное давление сгорания, «жесткость» работы, потери теплоты в окружающую среду. При позднем зажигании процесс сгорания смещается на процесс расширения, из-за чего падает давление и с ним индикаторная работа. Поэтому КПД снижается при любом отклонении угла опережения зажигания от оптимального.

4.Частота вращения коленчатого вала

Рост частоты вращения коленчатого вала приводит к увеличению индикаторного КПД, поскольку сокращается время цикла и суммарная теплоотдача в стенки цилиндров. Однако при некоторых максимальных значениях частоты вращения коленчатого вала индикаторный КПД падает, так как догорание топлива все более завершается на линии расширения (по индикаторной диаграмме).

5. Нагрузка

У карбюраторных двигателей наибольшие значения индикаторного КПД соответствуют средним нагрузкам при экономичном составе смеси 1,05 2,5 25…45% максимальной нагрузки.

6. Тип камеры сгорания

В случае раздельных камер сгорания индикаторный КПД становится несколько меньше, так как возрастают тепловые и газодинамические потери, однако дизели с такими камерами сгорания имеют меньший период задержки воспламенения, работают бездымно и с допустимой токсичностью при меньших значениях коэффициента α, чем дизели с однополостными камерами сгорания. Поэтому, несмотря на меньшую величину индикаторного КПД, среднее индикаторное давление двигателей с раздельными камерами сгорания не уступает среднему индикаторному давлению двигателей с неразделенной камерой сгорания.

7. Степень сжатия

Степень сжатия влияет на индикаторный КПД также, как и на термодинамический КПД, поэтому при проектировании двигателей стремятся к увеличению степени сжатия. Однако у карбюраторных двигателей увеличение степени сжатия ограничено детонацией. У дизельных двигателей индикаторный КПД при увеличении степени сжатия более некоторых оптимальных значений будет изменяться незначительно.

8. Климатические условия (окружающая среда)

При увеличении температуры окружающей среды и снижении давления уменьшается наполнение цилиндров по массе. При неизменной подаче топлива уменьшается коэффициент избытка воздуха, что ведет к снижению показателей индикаторного КПД и индикаторного давления.

Читайте также:  Как узнать мощность дрели

Источник

Работа и мощность двигателей: среднее индикаторное давление

В процессе расширения, под воздействием расширяющихся газов, поршень перемещается и тепловая (внутренняя) энергия газов преобразуется в механическую работу. Величина этой работы за один цикл определяется произведением силы давления газов на перемещение поршня, равного его ходу. Однако сила давления газов на поршень непостоянна и уменьшается в период перемещения поршня. В процессе сжатия воздуха в цилиндре перемещение поршня связано с затратой механической работы. Величина этой работы равна произведению силы давления воздуха и перемещения поршня. Причем эта сила также непостоянна и увеличивается по мере приближения поршня к мертвой точке.

Полезная механическая работа равна разности работ расширения и сжатия. Эта работа, полученная внутри цилиндра двигателя за один цикл, называется индикаторной работой Ai. При определении Аi используют индикаторную диаграмму, показывающую в масштабе величину давления в цилиндре при любом положении поршня; диаграмму снимают с помощью индикатора давления.

На рис. 15 представлена индикаторная диаграмма двухтактного двигателя. Заштрихованная площадь диаграмммы (в масштабе) как раз и равна индикаторной работе. Индикаторную работу можно определить следующим образом: сначала при помощи планиметра найти площадь диаграммы F мм2 И измерить длину диаграммы l мм; разделив F на l, получим среднюю высоту h мм; площадь прямоугольника высотой h равна площади диаграммы. Так как площади равны, то и величины работ равны. Разделив высоту h на масштаб пружины индикатора m мм2/бар, получим среднее давление на цикл.

Среднее давление в цилиндре за цикл называется средним индикаторным давлением Pi бар (10 5 H/m2):

Работа и мощность двигателей

При подсчете Pi четырехтактного двигателя следовало бы учитывать отрицательную площадь диаграммы, ограниченную кривыми процессов впуска и выпуска (рис. 16). Практически эта отрицательная работа, связанная с насосными потерями, не учитывается, так как величина ее очень мала. У четырехтактного двигателя рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала и среднее индикаторное давление Рi за цикл будет в два раза меньше, чем у подобного ему двухтактного двигателя. Однако для возможности сравнения четырехтактных и двухтактных двигателей при определении Рi четырехтактного двигателя процессами впуска и выпуска пренебрегают. При расчете мощности это обстоятельство учитывается введением в знаменатель формулы коэффициента тактности z = 2. Для двухтактного двигателя z = 1.

Итак, мощность цилиндра двигателя (кВт)

Формула

При условии равенства среднего индикаторного давления всех цилиндров мощность двигателя равна (i – число цилиндров)

Формула

Формула

и обозначив неизменную для конкретно рассматриваемого двигателя величину:

Формула

представим мощность выражением

Формула

Среднее индикаторное давление и средняя скорость поршня это основные характеристики двигателя. Среднее индикаторное давление является показателем тепловой напряженности двигателя. Средняя скорость поршня характеризует его динамическую напряженность и является основным показателем моторесурса.

Среднее индикаторное давление составляет у дизелей (бар):

  • без наддува — Рi = 5÷7
  • мощных малооборотных с наддувом — Рi = 8÷12
  • среднеоборотных с наддувом Рi = 15÷20
  • форсированных с высоким наддувом Рi 22÷28

Средняя скорость поршня у мощных малооборотных дизелей достигает:Сm = 5÷6,8 м/с.

Средняя скорость поршня у среднеоборотных Сm = 8÷10 м/с.

Работа за цикл четырехтактного ДВС

Эффективная мощность двигателя, т.е. мощность, передаваемая потребителю, меньше индикаторной на величину механических потерь, при передаче мощности от цилиндра к фланцу коленчатого вала. Эти потери учитываются механическим коэффициентом полезного действия ɳ м:

Формула

Произведение Pi ɳ м = Ре носит название среднего эффективного давления. Учитывая это, эффективную мощность (кВт) двигателя можно выразить формулой:

Источник

ИНДИКАТОРНАЯ МОЩНОСТЬ

date image2014-02-24
views image3278

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Работа, совершаемая газами внутри всех цилиндров за единицу времени называется индикаторной мощностью. (По имени инженера Индикатора, который сконструировал прибор для снятия индикаторных диаграмм).

Читайте также:  Behringer nu1000 inuke усилитель мощности 1000 вт

Для определения индикаторной мощности надо иметь: индикаторную диаграмму (или среднее индикаторное давление pi), частоту вращения вала двигателя (n), диаметр цилиндра (D), ход поршня (S), число цилиндров (z) и тактность (k).

СРЕДНЕЕ ИНДИКАТОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ.

Из термодинамики известно, что работа цикла пропорциональна площади, заключённой внутри его диаграммы. Значит, по площади диаграммы можно определить работу цикла, а по ней — мощность двигателя.

За полный рабочий цикл давление газов в цилиндре меняется от max до min, поэтому берут среднюю величину постоянного давления за цикл, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает ту же работу, что и фактическое переменное давление за весь рабочий цикл. Такую величину называют средним индикаторным давлением (pi).

Поскольку pi постоянное и действует на донышко поршня с площадью F, то работа за один ход поршня S составляет piFS. Согласно формулировке должно существовать равенство piFS = Lц

Графически pi можно найти двумя способами:

1. при наличии планиметра, находится полезная площадь цикла, делится на длину диаграммы и получается pi. На основании этих действий строится прямоугольник с основанием Vs и высотой pi, равновеликий по площади индикаторной диаграмме;

2. всю длину абциссы диаграммы делят на несколько равных частей; затем, из диаграммы, измерив отрезки ординат (y1, y2. yn) определяют среднее индикаторное давление по формулам:

p1, p2, pn — величины давлений по индикаторной диаграмме;

M — масштаб диаграммы;

m — масштаб ординат.

F — площадь диаграммы;

l — длинна диаграммы.

Если произвести расчёт работы, совершаемой в каждом процессе цикла, а затем алгебраически сложить их, то получим:

Величина действительного значения pi будет несколько меньше из-за скругления индикаторной диаграммы.

где φ — коэффициент полноты диаграммы.

Для 4-х тактных дизелей φ = 0.92-0.97

Для 2-х тактных дизелей φ = 1, т.к. отклонения действительного процесса от расчётного компенсируется положительной площадью b-m-a, неучтённой при расчётах (см. теоретический цикл, диаграмму 2-х тактного дизеля).

Среднее индикаторное давление зависит от ряда факторов, однако, основными из них являются количество и качество горючей смеси, подготовленного в цилиндре к началу горения. Отсюда следует, что увеличивая заряд рабочей смеси можно получить более высокое pi, а следовательно и мощность двигателя. Практически это осуществляется путём применения наддува воздуха в дизелях и рабочей смеси в карбюраторных ДВС. У современных дизелей pi составляет:

для двигателей без наддува pi=5,5-7,5 кГс/см²

для двигателей с наддувом pi=8.5-12,5 кГс/см²

Зная pi, находят работу (A) за один рабочий цикл в одном цилиндре:

Работа в цилиндре за единицу времени (1 минута):

где, k — коэффициент тактности, при этом для 2-х тактных ДВС k=1,

для 4-х тактных ДВС k=1/2.

Разделив всё на 60 секунд, получим формулу индикаторной мощности:

1/75 — перевод мощности в лошадиные силы (1 л.с.=75 кгм/сек=0,736 кВт).

Наиболее удобная формула для определения индикаторной мощности:

Ni = 52,3D 2 ∙ pi ∙ Cm ∙ i [и.л.с.]

Если мощность необходимо получить в кВт, в эту формулу значение pi подставляют в килопаскалях [КПа].

где, D — диаметр цилиндра [м];

pi — среднее индикаторное давление [кГ/см²];

Cm — средняя скорость поршня Cm=S∙n/30 [м/с];

i — число рабочих ходов за один оборот к.в. во всех цилиндрах двигателя, i=k∙z

где, k — коэффициент тактности;

z — число цилиндров двигателя.

Значение мощности ещё не характеризует тепловую и механическую напряжённость двигателя. Мощность можно увеличить за счёт размеров и числа цилиндров, но не беспредельно.

Источник