Одним из наиболее значимых параметров, которые определяют эффективность работы дизельного двигателя, является его коэффициент полезного действия (КПД). На КПД двигателя влияет совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях его работы, а также трение присутствующее во время движения деталей двигателя. Вот о том, как считается коэффициент полезного действия дизельного двигателя, мы и поговорим в этой статье.
Рабочая диаграмма (p-V-диаграмма)
Работа W дизеля является функцией давления и соответствующего изменения рабочего объема. Она изображается в виде рабочей диаграммы в координатах давления и объема (сокращенно p-V-диаграмма).
Цикл Зайлигера
Рис.1. : 1- 2 — изоэнтропическое сжатие. 2- 3 — изохорический подвод тепла. 3- 3′ — изобарический подвод тепла 3 -4 — изоэнтропическое расширение. 4- 1 — изохорический теплоотвод. qA — тепло, уходящее при газообмене. qBp — теплота сгорания при постоянном давлении. qBV — теплота сгорания при постоянном объеме. W — теоретическая работа
Цикл Зайлигера (рис. 1 «Термодинамический цикл Зайлигера для дизеля») описывает идеальный термодинамический цикл и тем самым определяет теоретически достижимую работу дизеля. Целью совершенствования двигателя является максимальное приближение реальною процесса к циклу Зайлигера. В этом идеальном цикле используются следующие допущения:
- Идеальный газ;
- Постоянная теплоемкость;
- Мгновенный подвод и отвод теплоты;
- Отсутствие потерь на газообмен.
Площадь в р-V — диаграмме соответствует теоретической работе W, которая производится в рабочем цикле. В частности, протекают следующие процессы:
Изоэнтропическое сжатие (1-2)
При изоэнтропическом сжатии (сжатие при постоянной энтропии, т. е. без теплообмена) давление в цилиндре возрастает, в то время как объем уменьшается.
Изохорический подвод теплоты (2-3)
Смесь начинает гореть. При этом происходит подвод теплоты (qBV) при постоянном объеме (изохора). Давление возрастает.
Изобарический подвод теплоты (3-3′)
Дальнейший подвод теплоты (qBp) происходит, когда поршень уже движется вниз (объем увеличивается), давление при этом остается постоянным (изобара).
Изоэнтропическое расширение (3′-4)
Поршень идет дальше к нижней мертвой точке. Теплообмена нет. Объем увеличивается.
Изохорический отвод теплоты (4-1)
При газообмене остальное тепло выводится qA. Это происходит при постоянном объеме (бесконечно быстро и полно). Вместе с тем снова наступает исходное состояние и начинается новый рабочий цикл.
Действительный цикл
Действительный цикл также может быть представлен в виде p-V-диаграммы (индикаторная диаграмма, рис. 2 «Действительный цикл работы дизеля с наддувом воздуха«).
Рис. 2. : АО — выпускной клапан открыт. AS выпускной клапан закрыт. ВВ — начало сгорания. ЕО — впускной клапан открыт. ES — впускной клапан закрыт. PU — давление окружающей среды. PL — давление наддува воздуха. PZ — максимальное давление в цилиндре. Vc — объем камеры сжатия. Vh— рабочий объем. WM — полезная работа WG — работа газообмена (при наддуве воздуха).
Индикаторная работа — это площадь внутри верхней кривой (WM). К ней у двигателей с наддувом необходимо добавить площадь газообмена (WG), гак как сжатый нагнетателем воздух давит на поршень в направлении его НМТ. Часто находит применение и отображение давления по углу поворота коленчатого вала (рис. 3 «Протекание кривой давления в цилиндре дизеля с наддувом воздуха»).
Рис. 3. : АО — выпускной клапан открыт. AS — выпускной клапан закрыт. ВВ начало сгорания. ЕО — впускной клапан открыт. ES — впускной клапан закрыт. PU — давление окружающей среды. PZ — максимальное давление в цилиндре.
Коэффициент полезного действия (КПД) дизеля
Рис. 4. : Дизели очень сильно различаются по размерам и области применения. Отсюда следуют различия в их эффективности. Наибольший КПД достигается большими тихоходными дизелями. ηth — теоретический КПД (изменяется в зависимости от степени сжатия ε и коэффициента избытка воздуха λ). ηg — относительный КПД действительного цикла с высоким давлением. ηm — механический КПД.
Эффективный КПД дизеля ηe определяется следующим образом:
ηe = We/WB
где: We — эффективная работа на маховике двигателя, WB — энергосодержание впрыскиваемою топлива.
Этот общий КПД может быть определен как произведение отдельных КПД (рис. 4 «Диаграмма потерь и полезной работы автомобильного дизеля при полной нагрузке«), которыми описываются все потери:
ηe = ηth · ηg · ηm
Теоретический КПД ηth
ηth является теоретическим КПД цикла Зейлигера и описывает теоретическую работу, отнесенную к теплотворной способности топлива, которая у дизеля составляет 42,5 МДж/кг. Уже указывались граничные условия этого идеального цикла:
- Идеальный газ;
- Постоянная теплоемкость;
- Бесконечно быстрый подвод и отвод теплоты;
- Отсутствие потерь на газообмен.
Относительный КПД действительного цикла с высоким давлением ηg
КПД ηg описывает отношение реально замеряемой работы в цилиндре (индикаторный цикл), совершаемой в результате создания давления в цилиндре, к работе теоретическою цикла (рис. 2). Этот КПД включает потери теплоты и потери на газообмен. Граничными условиями являются:
- Реальный газ;
- Тепловые потерн;
- Конечная скорость подвода и отвода теплоты;
- Переменная теплоемкость.
Все параметры смесеобразования сильно влияют на процесс сгорания и, таким образом, на его совершенство.
Механический КПД ηm
Механический КПД ηm учитывает механические потерн на трение, включая потери на привод вспомогательных агрегатов, относительно индикаторного цикла. Он, таким образом, отражает картину работы реальною двигателя. Трение и потери на привод агрегатов возрастают с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Потери при номинальной частоте вращения коленчатого вала состоят из потерь на трение:
- Поршней и поршневых колец (около 50%);
- В подшипниках (около 20%);
- В насосе системы смазки (около 10%);
- В насосе системы охлаждения (около 5%);
- В приводе клапанов (около 10%),
- В насосах системы питания (около 5%).
К этому также необходимо добавить потери на привод механического нагнетателя, вентилятора, генератора и прочего навесною оборудования.
Сравнение дизельного и бензинового двигателей
Более высокий эффективный КПД дизеля по сравнению с обычным бензиновым двигателем вызван следующими причинами:
- Более высокая степень сжатия (соответственно большая площадь индикаторной диаграммы);
- Высокий коэффициент избытка воздуха (с возможностью гетерогенного внутреннего смесеобразования);
- Отсутствие дроссельной заслонки — т. е. отсутствие потерь на дросселирование в режиме частичных нагрузок.
РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:
