Коэффициент полезного действия КПД дизельного двигателя

Коэффициент полезного действия КПД дизельного двигателя

 

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

 

Термодинамический цикл Зайлигера для дизеля

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«).

 

 

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»).

 

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

 

Диаграмма потерь и полезной работы автомобильного дизеля при полной нагрузке

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 ηописывает 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:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *