Воробьев_Теория судовых двигателей

Индикаторную мощность многоцилиндрового ДВС определяют как

	i
сумму по цилиндрам	Ni = ∑Niц ,
	1

где i – число рабочих цилиндров ДВС.

При определении индикаторной мощности многоцилиндрового ДВС по результатам расчета рабочих процессов значение pi принимают идентичным для всех цилиндров. В этом случае индикаторная мощность ДВС

		ПD2Szp ni		2
			i
	Ni = iNiц =			= 0,0131D S z pi n i.
		4	60

Можно определить влияние основных конструктивных и эксплуатационных факторов на индикаторную мощность Ni. При создании новых двигателей повысить Ni можно за счет увеличения D, увеличения количества цилиндров, для 2-тактных z = 1, у 4-тактных z = 0,5, увеличения S,

повышения оборотов(Cm = 30Sn ), от этого зависят износы и ресурсы дви-

гателя. В эксплуатации двигателя его индикаторная мощность Ni повышается с увеличением pi и n.

10.4.ИНДИКАТОРНЫЙ КПД

Втермодинамическом цикле учитывается один вид потерь теплоты

–неизбежная отдача ее холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики. Доля теплоты, превращенная в работу термо-

динамического цикла, оценивается термическим КПД ηt.

В действительном цикле, который процессами газообмена замыкается условно, отводу теплоты холодному источнику соответствует потеря теплоты с выпускными газами. Кроме этой потери имеются потери теплоты от неполноты сгорания топлива и в результате теплообмена рабочего тела со стенками цилиндра. Все тепловые потери в действительном цикле дизеля учитываются индикаторным КПД ηi, который является критерием совершенствования теплоты, подведенной к рабочему телу с топливом.

Индикаторный КПД представляет собой отношение количества теплоты, преобразованной в индикаторную работу в цилиндре двигателя, к количеству теплоты, подведенной для совершения работы:

Li

ηi = Qпод .

Если Qпод за час, то Qпод = ВчQн, где Вч – часовой расход топлива, Qн

– низшая теплота сгорания, кДж/кг.

91

Количество теплоты, соответствующее индикаторной работе за час, кДж/ч Li = 3600Ni, где 3600 – термический эквивалент работе 1 кВт ч,

кДж/(кВт ч) подставляем	ηi =	3600Ni			=	3600	,
			В Q			q Q
			ч н			i н
где qi – удельный расход топлива, кг/(кВт ч),
	gi =		Вч
				.
			Ni

Удельный индикаторный расход топлива, индикаторный КПД, могут быть определены по данным измерений часового расхода топлива Вч и индикаторной мощности двигателя Ni. ηi при Qн = 41868 кДж/кг, дизелей 2-тактного – 0,42–0,52, 4-тактного – 0,45–0,5. Удельный индикаторный расход топлива gi, для 2-тактного gi = 0,145–0,204 кг/(кВт ч); для 4- тактного qi = 160–190 кг/(кВт ч).

Значение ηi зависит от целого ряда конструктивных и эксплуатационных факторов. Наибольшее влияние из них на ηi оказывают ε, конструкция камеры сгорания, α, φоп и n.

При увеличении ε повышается ηi также растет ηt. Значительное влияние на ηi оказывает способ смесеобразования и конструкция КС. У двигателя с неразделенной КС больше относительная площадь Fc/Vc, что и увеличивает теплообмен и снижает ηi.

На ηi. влияет α. С увеличением α растет ηi – это объясняется интен-

сификацией процесса сгорания и потерь с ОГ.
Для некоторых ДВС ηi = ηi0α1/α, ηi0	– исходное значение КПД
при α = 1.
Зависимость ηi от φоп. С увеличением	φоп ηi уменьшается из-за

увеличения отрицательной работы сжатия. При этом растут Pz и λ. При чрезмерном уменьшении φоп увеличивается период догорания топлива на линии расширения и растут потери с выпускными газами, что снижа-

ет ηi.

При повышении n понижается ηi вследствие увеличения продолжительности периодадогораниятопливаивозрастанияпотерьтеплотыс ОГ.

Значения ηi и qi могут быть определены по опытным данным или расчетом. При расчете qi = Вч/Ni, Вч определяется решением совместного решения уравнения

Gв = 28,97αL0Bч.

Через размеры цилиндра и плотность воздуха js

	Gв =	60ПD2	S n z I js ηн;
		4

92

плотность воздуха определяем как

Ps

js = RsTs ,

где Rs – газовая постоянная воздуха.

Приравняем правые части, найдем Вч и из соотношения µRs = 28,97 × 0,287 = 8,314 получим

	60ПD2Sznip η
Вч =	s н	.
	4 8,314αL T
	0 s

Делим на индикаторную мощность (определяют по формуле) и после подстановки

	qi = 433	Psηн		,
		αL T P
		0 s	i

тогда

ηi = 8,314 αL0Tηs Pi .

QнPs н

Влияние α, ηн и pi на qi и ηi следует оценивать в их взаимной связи, т. к. изменение одного из этих параметров оказывает влияние на остальные.

10.5. ЭФФЕКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ ДВС

Ne – полезная мощность на фланце вала двигателя. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину механических потерь Ne =

Ni – Nм.

Nм – потери на трение между движущимися деталями, на привод навешенных механизмов, вентиляционные потери между движущимися деталями и воздухом и насосные потери. Ne определяют по результатам измерений крутящего момента и частоты вращения или электрической нагрузки генератора. При известных Мкр и n Ne определяют

	Ne =	ПМ	крn	,
		30

где Мкр – крутящий момент, кН м; n – обороты, об/мин.

При определении эффективной мощности двигателя на стенде используют тормозные устройства, гидравлические или электрические.

Так, Ne ДВС, работающего на генератор, можно определить

Ne =1000UIηэ ,

где U – напряжение, В; ηэ – КПД генератора; I – сила тока, А.

93

Для измерения Мкр у СДВС применяют электрические торсиометры. Их принцип основан на возникновении упругой деформации вала при передаче момента на винт

ρ = GIl p Мкр,

где l – длина участка вала, м; G – модуль упругости металла вала на кручение, кПа; Ip – полярный момент инерции сечения.

Мкр =	GI p	ρ, ρ = ∆/r,
	l

где ∆ – дуга скручивания вала; r – радиус.

Ne = П30GIlrp ∆n.

10.6. МЕХАНИЧЕСКИЙ КПД

Передача Ni от цилиндра к ГВ или другому потребителю через поршень и КШМ сопровождается механическими потерями. Чем меньше Nм, тем большая часть мощности Ni передается на вал. В качестве критерия, оценивающего долю индикаторной мощности, превращенной в Ne, служит механический КПД двигателя ηм = Ne/Ni.

	Ni − Nм		Ne
ηм – учитывает Nм в дизеле, тогда ηм =		=		.
	Ni		Ne + Nм
Nм приближенно может быть рассчитана как Ni холостого хода при
той же частоте вращения. На ХХ Ni идет на преодоление Nм →					ηм =

0. С увеличением pi при неизменной n ηм повышается, так как при ↑ n

Nм ↑.

Согласно опытным данным ηм дизеля с наддувом при работе на но-

минальной мощности
2-тактного	МОД	0,88–0,94
4-тактного	СОД	0,89–0,91
ВОД		0,80–0,85

При использовании опытных данных по стендовым испытаниям в эксплуатации ДВС следует учитывать, что при неизменной частоте вращения с изменением Ni ηм тоже меняется, поэтому

Ni0 (1−ηм0 ),

Ni

где Mi0 и ηм0 получены на стенде, тогда Ne = Niηм.

94

10.7. СРЕДНЕЕ ЭФФЕКТИВНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Среднее эффективное давление – средняя удельная эффективная работа цилиндра за цикл. Является важнейшей характеристикой дизеля, показывает его нагрузку, полноту и своевременность сгорания топлива, степень наддува и совершенство конструкции. Pe используется для сравнительной оценки степени форсировки по нагрузке различных двигателей или нагрузке двигателей при разных режимах.

Pe = Le/Vs,

где Le – средняя эффективная работа цилиндра за цикл, кДж; Vs – рабочий объем, м3.

Средняя эффективная работа одного цилиндра за цикл

60Ne

Le = zni ,

где Ne – эффективная мощность двигателя, кВт; n – частота вращения, об/мин.

	Pe =	4 60Ne	=	Ne	,
		ПD2Szni		0,0131D2Szni

выразим Ne = 0,0131D2Sznipe.

У судовых дизелей следующие значения эффективного давления:

4-тактного двигателя	с наддувом	1200	– 2500	кПа,
	без наддува	500	– 600	кПа,
2-тактного двигателя		750	– 1900	кПа.

Если мощность механических потерь выразить через среднее условное давление рм, то

ре = pi – рм.
Для 2-тактного двигателя	100 – 120 кПа;
для 4-тактного двигателя	180 – 200 кПа,
ηм = ре/рi;	pe = piηм.

10.8. ЭФФЕКТИВНЫЙ КПД

Эффективный КПД – представляет собой отношение количества теплоты, преобразованной в эффективную работу на валу, к количеству теплоты, подведенной для совершения работы,

ηe = Le/Qпод.

95

Количество теплоты, соответствующее эффективной работе за час,

кДж/ч Le = 3600Me.

ηe =	3600Ne	=	3600	,
	B Q		q Q
	ч н		e н

где qe – удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт ч).

Удельный эффективный расход топлива представляет собой отношение часового расхода топлива к эффективной мощности ДВС

qe = Bч/Ne, ηe = 3600Niηм = ηiηм.

ВчQн

ηe учитывает все тепловые потери, которые учитывает ηi, и механические потери ηм.

	ηe	=	qi	и	ηм = ηe , то ηм =
			q
	η				η
	i		e		i
					qe, кг/(кВт ч)
	МОД				0,160–0,217
	СОД				0,175–0,211
	ВОД				0,211–0,245

qi	,	qe =	qi	.
q
			η
e			м
				ηe
				0,4 –0,5
				0,41–0,45
				0,35–0,41

Повышение ηе и снижение qе при повышении рк благодаря увеличению ηм, совершенствованию процессов смесеобразования и сгорания, более эффективному использованию энергии выпускных газов, снижению теплоотвода в стенки деталей цилиндро-поршневой группы.

При отклонении режима работы от номинального qe меняется. Показатель qe у СДВС при 80–90 % стремится к qemin на номинальном и частичных режимах. Это достигается регулировкой системы топливоподачи, газообмена, наддува, смесеобразования и сгорания топлива.

Износ трущихся деталей, отложения в системах газообмена и наддува и другие отклонения от нормального технического состояния судового двигателя внутреннего сгорания приводят к повышению удельного эффективного расхода топлива.

10.9. УРАВНЕНИЕ МОЩНОСТИ В ОБЩЕМ ВИДЕ

Для оценки влияния основных факторов на pi и Ni выразим их через параметры рабочего процесса. Преобразуем уравнение для индикаторного КПД и выразим

pi = 0,12 Qн ηi Ps ηн.

L0 α Ts

96

Можно определить факторы, наиболее влияющие на pi, пути его повышения.

Qн/L0 – для дизельных топлив ≈ 84000–85000 кДж/кмоль и изменяется незначительно.

Показатели ηi и α при изменении режима меняются, важно соотношение ηi/α.

У ДВС без наддува увеличивается pi при увеличении qц растетηαi .

У ДВС с наддувом ηαi является критерием совершенства цикла, при по-

вышенииηαi растет pi, улучшается экономичность.

Увеличение pi достигается увеличением Ps , увеличением Ps и сни-

Ts

жением Ts (охлаждение воздуха).

Показатель ηн характеризует работу системы газообмена на определенном режиме. На определенной частоте ηн максимален и при отклонении понижается. У ДВС с наддувом отклонение ηн незначительное. Для 4-тактного ηн = 0,95–1, для 2-тактного ηм = 0,65–0,8, поэтому у 4- тактного pi больше.

Стечкин Б. С. вывел уравнение мощности при L0’ = L0 × 28,97

Ne = 0,016Vs z n i Qн ηi jsηнηм.

L0 α

Это уравнение позволяет определить влияние параметров цикла и конструкции двигателя. Оно используется при исследовании эксплуатационных характеристик двигателя.

97

ЛЕКЦИЯ 11 НАДДУВ ДИЗЕЛЕЙ

11.1.Способы и схемы наддува.

11.2.Наддув 4-тактного двигателя.

11.3.Наддув 2-тактного двигателя.

11.4.Охлаждение наддувочного воздуха.

11.5.Энергетический баланс системы наддува.

Наддув ДВС применяют для повышения мощности и экономичности. Удельная мощность пропорциональна величине среднего эффективного давления Pe. Зависимость Ре от параметров воздуха перед цилиндром

Pe = 0,12	Qн	Ps	ηнηe
	αL	T
	0	s

Из формулы видно, что при неизменном значении коэффициента α растет Pe при повышении Ps и снижении Ts. Это способствует росту js и массы заряда воздуха в цилиндре и позволяет сжечь большее количество топлива при α = const.

Наддувом называется способ повышения мощности дизелей, основанный на повышении js в цилиндре при увеличении цикловой подачи топлива. Увеличение js в ДВС обеспечивается наддувом и снижением Ts.

Повышение мощности ДВС при наддуве оценивается степенью наддува

λ = Рен/Ре,
где Рен – среднее эффективное	давление	двигателя	с наддувом;
Ре – среднее эффективное давление двигателя без наддува.
Наибольшее значение λн у	4-тактного	двигателя	ДВС до 4,

у 2-тактного двигателя ≈2,5. Максимальная величина ограничивается тепловой и механической напряженностью. С увеличением Ps увеличивается qц и Q, выделившиеся в объеме цилиндра, что приводит к возрастанию количества теплоты, переданной стенкам КС деталей ЦПГ. Понижение тепловой напряженности достигается снижением Ts и конструктивными мероприятиями (охлаждение поршня, втулок, крышек и корпусов выпускных клапанов) Применение охлаждения наддувного воздуха (↓ Ts) способствует повышению плотности заряда и понижению теплонапряженности ДВС (Ts ≈ 310–320 К). Тепловая напряженность ДВС определяется скоростью нарастания давления при сгорании ∆P/∆φ

98

и Pz. Повышение давления Ps приводит к росту Pz и понижению ∆P/∆φ, что связано с возрастающим Рс и Тс. Сохранение механической напряженности СДВС с наддувом на допустимом уровне достигается путем понижения ε, уменьшения угла опережения подачи топлива, применения охлаждения наддувного воздуха и осуществления закона подачи топлива с уменьшенной долей за период задержки самовоспламенения.

Значение ε уменьшают до 11–12,5, что позволит с увеличением Ps ограничить давление Pz. Дальнейшее уменьшение ε невозможно из-за ухудшения пусковых качеств дизеля.

Потому уменьшают φоп. Однако малое φоп приводит к увеличению догорания топлива. Поэтому надежность конструкции обеспечивается применением прочных металлов и конструктивными мероприятиями.

11.1. СПОСОБЫ И СХЕМЫ НАДДУВА

Подача воздуха в цилиндры ДВС с наддувом осуществляется с помощью центробежных, поршневых и ротативных компрессоров. В зависимости от типа привода компрессора различают следующие способы наддува: механический, газотурбинныйикомбинированный(рис. 11.1).

Механический наддув осуществляется центробежным или ротативным компрессором, приводимым в движение от КВ ДВС посредством цепной или зубчатой передачи. Этот способ наддува применяют в дизеле малой и средней мощности. Он не получил распространения в ДВС средней и большой мощности из-за относительно больших затрат мощности дизеля на привод компрессора. При Ps = 140–150 кПа эта мощность составляет 8–9 % Ni. Из-за этого снижается экономичность ДВС.

Газотурбинный наддув. Воздух подается центробежным компрессором, приводимым во вращение ГТ, который использует энергию выпускных газов. При этом способе повышения давления мощность ДВС увеличивается в 1,3–4 раза по сравнению с дизелем без наддува. Применение ГТН не требует затрат мощности двигателя на наддув, и не требуется дополнительного изменения конструкции.

Комбинированный наддув. При этом наддуве сочетают ГТН и механический, которые последовательно соединяют, образуя 2-ступенчатую систему наддува. В СДВС первой ступенью является ТК, второй – поршневой компрессор или подпоршневая полость цилиндра. Применяют параллельные и последовательно-параллельные схемы наддува. Комбинированный наддув применяют в 2-тактном двигателе большой мощности.

99

а		б

в		г

д

е

		з
ж

Рис. 11.1. Схемы газообмена двухтактных дизелей

100