Лекция по "Транспорту"

Лекція  «Техніко-економічні показники дизеля»

Для оцінки техніко-економічних показників дизелів в широкому діапазоні зміни умов експлуатації служать характеристики дизелів. Характеристиками дизеля називаються залежності (як правило, графічні) між різними параметрами (показниками) двигуна при зміні режиму роботи силової установки. 
Характеристики дизелів зазвичай отримують досвідченим (експериментальним) шляхом при випробуванні одного з перших екземплярів даного дизеля на стендах заводу-виробника або науково-дослідної організації. Отримані при цьому параметри повинні задовольняти технічним умовам, які були пред'явлені заводу замовником (споживачем) '. За отриманими характеристиками замовник може судити про експлуатаційні властивості дизеля, прогнозувати його надійність і довговічність (моторесурс), визначити область робочих режимів, оцінити среднеексплуатаціонний питома витрата палива, а також середню собівартість одного тонно-кілометра перевізної роботи.

Індикаторні діаграми робочого процесу чотирьох і двотактних дизелів 
 
Рис. 21. Індикаторна діаграма чотиритактного дизеля з газотурбінним наддувом: 
ра - тиск в період наповнення; рг тиск в циліндрі в період випуску; рк - тиск повітря в наддувочного колекторі; V об'єм камери стиснення; обсяг, описуваний поршнем, \ 'л - повний об'єм циліндра газів. Хід розширення є корисним робочим ходом, так як в цей період гази з великим тиском діють на поршень дизеля в напрямку його руху і здійснюють корисну роботу, віддаючи її навантажувальну агрегату. 
Четвертий такт - випуск газів. 
Індикаторні діаграми робочого процесу чотирьох і двотактних дизелів 
 
Рис. 22. Діаграма робочого циклу двотактного дизеля і схема його пристрою: 
А - продувні вікно; Б - випускне вікно. / - Циліндр; 1 - поршень; 3 - форсункапускной клапан 5 відкритий і гази виштовхуються з циліндра. Процес випуску газів на діаграмі зображено лінією e'er. Видалення газів відбувається при тиску 0,11-0,12 МПа, тому лінія випуску газів розташовується вище атмосферної лінії. Температура газів за випускним клапаном дорівнює 700-900 К- 
Для більш досконалої продувки і зарядки циліндра повітрям впускний і випускний клапани на протязі 50-100 ° повороту кривошипа колінчастого валу відкриті одночасно. Це так зване «перекриття» клапанів забезпечує хорошу очищення циліндрів від продуктів згоряння палива і більш повне заповнення робочого об'єму повітрям, а також охолодження днища поршня і випускних клапанів потоком холодного повітря. Якість очищення циліндра від відпрацьованих газів оцінюється коефіцієнтом залишкових газів у, який являє собою відношення кількості залишилися в циліндрі від попереднього циклу газів до величини надходження в циліндр свіжого повітряного заряду. Зазвичай у - = 0,02 год-0, 1. 
Особливості робочого циклу чотиритактного дизеля з газотурбінним наддувом. У дизелях з наддувом процес зарядки циліндра відбувається інакше, ніж у двигунів без наддуву. Турбокомпресор засмоктує повітря з атмосфери при тиску р0 (рис. 21) і стискає до тиску рк. Стиснене в турбокомпресорі повітря перш, ніж потрапити в циліндр, проходить через охолоджувач, впускний колектор і випускні клапани; на шляху від турбокомпресора до циліндра його тиск знижується від рк до ра. Тому лінія тиску впуску розташована нижче лінії рк і вище атмосферної лінії (Ро). 
Після заповнення циліндра повітрям поршень, рухаючись від точки а наліво, стискає повітря. Процес стиснення зображений кривою ас. В кінці стиснення в циліндр впорскується паливо, яке запалюється у точці с. Процес згоряння показаний лініями cz 'і г'г. Розширення газовпроісходіт по кривій ге. У точці е відкриваються випускні клапани, і відпрацьовані гази виштовхуються в газову турбіну (при тиску рт), а потім викидаються в атмосферу. Таким чином, лінія випуску газу з циліндра розташована вище атмосферної і нижче лінії наповнення. У чотиритактних двигунах енергії відпрацьованих газів цілком достатньо, щоб нагнітач стискав повітря до тиску рк, більш високого, ніж рг. В результаті наддуву площа індикаторної діаграми, а отже, і потужність дизеля значно зростають. 
Слід зазначити, що в дійсності процес згоряння відбувається не по прямих лініях з г 'і г'г, а по штриховий лінії (див. рис. 21). 
Діаграма двотактного дизеля. Стиснення повітря в циліндрі при русі поршня справа наліво починається в точці а і триває до точки з (рис. 22). За 16-25 ° кута повороту колінчастого валу до крайнього лівого положення поршня через форсунку 3 в циліндр при високому тиску подається рідке паливо (в мелкораспиленном вигляді), яке, стикаючись з нагрітим до високої температури стисненим повітрям, запалюється. Утворилися гази, прагнучи розширитися, переміщують поршень вправо. Рухомий поршень через шатун обертає колінчастий вал. Не доходячи до крайнього правого положення, поршень 2 своєї кромкою відкриває випускне вікно Б, даючи вихід відпрацьованим газам через глушник назовні. Рухаючись далі вправо, поршень відкриває продувні вікно Л, через яке в циліндр \ стремляется свіже повітря, що має підвищений тиск. Повітря витісняє відпрацьовані гази і заповнює циліндр. Коли поршень змінить напрямок і почне рухатися справа наліво, він спочатку закриє продувні вікно А, а потім випускне Б, після чого почнеться стиснення залишився в циліндрі повітря. Таким чином, повний робочий процес (цикл) у двотактному дизелі здійснюється за два коду поршня (такти), при цьому колінчастий вал здійснює один оберт. 
У двотактних дизелях продувний повітря подається в циліндри нагнітачем, що приводиться в рух від вала дизеля, або турбокомпресором. Від якості продування циліндрів залежить потужність і к.к.д. дизеля. Щоб забезпечити гарну продування циліндрів повітрям і знизити теплову напругу деталей дизеля, що стикаються з гарячими газами, в циліндри подається значно більше повітря, ніж потрібно для горіння палива; під час продувки частина повітря йде через випускні вікна. Враховуючи це, подача продувочного повітряного нагнітача повинна бути на 30-40% більше, ніж це необхідно для забезпечення повного згорання палива. При проектуванні двотактних двигунів конструктори прагнуть до того, щоб при найменшій втраті стисненого повітря виходила б найкраща продувка й зарядка циліндрів. У двотактних дизелях зазвичай енергії відпрацьованих газів недостатньо для стиснення наддувочного повітря до необхідного тиску, так як тиск це має бути більше, ніж тиск у випускному трубопроводі для якісного очищення циліндрів, а енергія випускних газів (за інших рівних умов) нижче, ніж в чотиритактних двигунах , через розбавлення газів холодним продувних повітрям. Тому в двотактних дизелях використовується комбінований наддув, при якому частина енергії, необхідної для стиснення наддувочного повітря, відбирається від колінчастого вала двигуна (див. вище). 
Схеми продувки двотактних дизелів. Найбільш проста, але разом з тим і найбільш недосконала схема-так звана поперечно-щілинна продувка, при якій в циліндрі може залишатися 15-20% відпрацьованих газів (рис. 23, а). Така продувка застосовується в малопотужних дизелях, для яких простота конструкції, а не економічність, має вирішальне значення. Схема продувки, показана на рис. 23,6, більш досконала. Завдяки зворотному клапану 3 ця конструкція забезпечує деякий наддув циліндрів. Така схема продувкіпріменяется на тихохідних суднових двигунах. 
Більш досконала прямоточна кла-панно-щілинна продувка (рис. 23, в). Стиснене повітря з нагнітача надходить в циліндр через нижні вікна, а відпрацьовані гази видаляються через випускні клапани 3, розміщені в кришці циліндра. При такій продувці на дизелі встановлюють розподільний вал. Клапанно-щілинна продувка застосовується в тепловозних дизелях 11Д45 і 14Д40. 
Найбільш досконала прямоточно-щілинна продувка (рис. 23, г), яку можна здійснити в двигунах із зустрічно рухомими поршнями. Стисле повітря від нагнітача надходить через верхні вікна (продувні), а відпрацьовані гази видаляються з циліндра через нижні (випускні) вікна. Щоб можна було повніше зарядити циліндр, нижній поршень, який перекриває випускні вікна, дещо випереджає (на 10-12 ° кута повороту колінчастого валу) верхній поршень, який перекриває впускні вікна. 
При такому способі продувки в циліндрі майже не залишається відпрацьованих газів. Прямоточно-щілинна продувка застосовується в тепловозних дизелях 2Д100 і 1 ОД 100.

Тепловий  баланс дизеля

Не всі тепло, що виділилася при  згоранні палива в циліндрах, використовується корисно, тобто перетвориться в  механічну роботу на валу дизеля. Значна частина тепла уносітсяс охолоджуючої водою і маслом, викидається з відпрацьованими газами, витрачається при охолодженні наддувочного повітря, розсіюється в навколишнє середовище; це теплові втрати двигуна. 
Для аналізу ефективності роботи теплових двигунів використовується поняття про тепловому балансі, який відображає розподіл введеної в двигун хімічної енергії палива <3т за складовими і зазвичай виражається рівнянням '

Потужність  та ккд двигуна

Розглядаючи багатоциліндрові двигуни, припускають, що робочі процеси  в циліндрах протікають приблизно  однаково і тільки зміщені по фазах  на кут зрушення кривошипів колінчастого валу. Тому можна вважати, що потужність, що розвивається в окремих циліндрах, теж однакова; тоді потужність дизеля в цілому дорівнює сумі потужностей  всіх циліндрів. Розрізняють індикаторну  потужність Л ^, одержувану в циліндрах  дизеля, і ефективну потужність ке, реалізовану на колінчастому валу дизеля. У технічній документації, яка  складається на кожний двигун заводом-виробником, вказується номінальна потужність дизеля Л. Номінальна потужність - це ефективна потужність, що розвивається двигуном при нормальних умовах, тобто при тиску повітря 760 мм рт. ст., температурі зовнішнього повітря + 20 ° С і відносній вологості повітря 70% - При підвищенні температури і зменшенні тиску повітря потужність дизеля падає, а при зниженні температури і підвищення тиску потужність зростає. Зі збільшенням вологості повітря потужність дизеля знижується. Зміна зовнішніх умов (температури ідавленія повітря) може викликати зміну потужності дизеля приблизно до 8-10% - Тому потужність і й питома витрата палива отримані при даних атмосферних умовах, перераховують і приводять до нормальних умов. 
Вираз для підрахунку індикаторної потужності двигуна можна отримати, обчисливши роботу виконану газами в одному циліндрі за повний цикл: 
де р; - середнє індикаторне тиск, Н/м2 (Па); 
/ Я!) 2 \ 
F - площа поршня! F =), м2; 
ї - діаметр циліндра, м; 5 - хід поршня, м. Тоді робота, виконана у всіх циліндрах дизеля за 1 хв, яО2 1 Квітня 
де п - частота обертання колінчастого валу, об / хв; I - число циліндрів дизеля. 
Звідси остаточно отримуємо формулу для обчислення індикаторної потужності дизеля: 
рУьШ ■ 1 лютого '~ 60-10 »тили 
_ Р ^ Кч 1103-30т ' 
Тут т - Тактность дизеля (т = 2 для двотактного і т = 4 для чотиритактного двигуна); 103 - коефіцієнт для перекладу потужності в кіловати. 
Середнє індикаторне тиск може бути визначено за індикаторній діаграмі (див. рис. 19). Для цього будується рівновеликий прямокутник, довжина і площа якого відповідно рівні довжині і площі індикаторної діаграми. Потім заміряють висоту цього прямокутника Л, і множать її на масштаб тиску а, тобто рг = / 1 * а. 
Для отримання індикаторної діаграми застосовують спеціальні прилади-індикатори. У тихохідних двигунах (не більше 500 об / хв) використовують механічні індикатори, а в швидкохідних - електропневматичні або електричні (див. нижче). Останні два прилади дають розгорнуту індикаторну діаграму - по куту повороту валу. 
Середнє індикаторне тиск в залежності від конструкції двигуна і його форсування може змінюватися в широких межах. У двотактних дизелях: 2Д100-р <= 0,794 МПа; 10Д100-р (= 1,140 МПа; 11Д45-р {== 1,1 МПа. В чотиритактних дизелях: ПД1М-р, = 1,07 МПа; 1А-5Д49-рг = 1,385 МПа; ЗД70-р {== 1,878 МПа; 1Д49-р * = 2,095 МПа. 
Ефективна та індикаторна потужності пов'язані співвідношенням 
14. Потужність і к. п. д. дизеля 
 
Рис 29. Зміна механічного ккд двигуна внутрішнього згоряння в залежності від його навантаження, де т] м - механічний оскільки п д. дизеля. 
 
Механічний ККД дизеля, який визначається як відношення ефективної потужності до індикаторної, характеризує механічні і гідравлічні втрати в тертьових частинах двигуна, а також витрату потужності на привід допоміжних механізмів дизеля (паливні, водяні, масляні насоси, механізм газорозподілу та ін); він залежить від конструкції і якості збірки машини і при номінальній потужності приймає значення від 0,78 до 0,9 (рис. 29). 
Якщо двигун приводить в обертання електричний генератор постійного струму, то ефективну потужність можна підрахувати за показаннями електричних приладів, підключених до виводів генератора:Ю 
Г * е ~ 1000л, ' 
де / і С / - відповідно струм генератора, А, і його напруга, В; г | г - к. п. д генератора (0,9-0,95) 
Ефективна потужність дизеля, встановленого на тепловозах з електричною передачею, 
де, У "- потужність, що витрачається на привід допоміжних механізмів і машин тепловоза (вентилятор холо дильника, збудник, вспомога тільних генератор, компресор і г д). Зазвичай N л становить 8 12% від ефективної потужності ді-) Еля. 
Ступінь досконалості використання тепла в циліндрах двигуна характеризується індикаторним коефіцієнтом корисної дії г) р. Індикаторний к.к.д. визначається як відношення механічної енергії, виробленої в циліндрах дизеля, до тепла, внесеного в дизель з паливом за певний час (наприклад, за 1 год): 
3600 / У, - 3600 
де gl = B, / t \, ■ - питома індикаторний рас хід палива дизелем в кг / (кВт-ч) 
Найбільш повно економічність теплового двигуна визначається ефективним коефіцієнтом корисної дії. Ефективним к.к.д. дизеля називається відношення виробленої ним і підведеної до колінчастого валу механічної енергії до кількості тепла, введеному в дизель з паливом за той же час: 
3600Д / С 3600 
Це <? НЯчгде ge = Bч / Nr-питома ефективний витрата палива дизелем в кг / (кВт-ч); 
Вч - витрата палива дизелем, кг / год; 
<2Н - теплота згоряння дизельного палива, кДж / кг. 
Ефективний, індикаторний і механічний к.к.д. пов'язані співвідношенням: 
Індикаторний к.к.д. в сучасних тепловозних дизелях становить 0,43-0,50. Тоді, прийнявши середні значення г | г і т) м, отримаємо: г | е-0.47Х Х0, 85 = 0,4. У сучасних чотиритактних тепловозних дизелях ефективний к.к.д. досягає значення 0,42, що відповідає питомій ефективному витраті палива 0,204 кг / (кВт-ч). Ставлення індикаторного ККД до термічного називається відносним к.к.д. г) 0. Цей коефіцієнт враховує втрати тепла в реальній машині по відношенню до ідеальної.