Эффективные показатели двигателя: Эффективные показатели двигателя | ЖЕЛЕЗНЫЙ-КОНЬ.РФ

Эффективные показатели двигателя — CrewTraffic

Эффективные показатели двигателя — CrewTraffic

2. Blogs
3. Эффективные показатели двигателя

Показатели рабочего процеса двигателя внутреннего сгорания подразделяются на индикаторные(внутренние) и эффективные (внешние). Эффективные показатели, кроме тепловых потерь, учитывают также механические потери при передаче энергии расширения на коленчатый вал двигателя. 
К эффективным показателям двигателя внутреннего сгорания относятся: эффективная мощность, механический КПД, среднее эффективное давление, эффективный КПД. 

Под эффективной мощностью дизеля подразумевают полезную мощность, передаваемую гребному валопроводу СДУ через выходной соединительный фланец коленчатого вала двигателя.
Механический КПД дизеля представляет отношение среднего эффективного давления к индикаторному и оценивает все механические потери в двигателе, а следовательно, совершенство его конструкции и качество изготовления в целом.

Среднее эффективное давление представляет собой условное среднее постоянное давление, действующее на поршень за рабочий процесс и совершающее работу, эквивалентную полезной эффективной работе, передаваемой через выходной фланец коленчатого вала на винт (у судового дизеля). Другими словами, среднее эффективное давление представляет собой удельную эффективную работу двигателя.
Наиболее важным комплексным показателем экономичности работы двигателя являетсяэффективный КПД, представляющий собой отношение количества теплоты, превращенной в полезную работу, ко всей теплоте, выделенной при сгорании топлива. Эффективный КПД так же, как и среднее эффективное давление, учитывает тепловые и механические потери в двигателе.

By continuing to browse the site, you agree to our use of cookies.

Эффективные показатели работы двигателя — Двигатели внутреннего сгорания (Инженерия)

Лекция №6

Эффективные показатели работы двигателя.

К эффективным показателям относятся: мощность , среднее значение , эффективный К. П.Д. , эффективные расходы топлива – часовой , кг/ч и удельный , ч/л.с.ч.

Эффективная работа будет всегда меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е. на величину насосных потерь и на величину работы, затрачиваемой на преодоление трения в соответствующих узлах и на привод обслуживающих двигатель вспомогательных механизмов.

;

где  — среднее давление механических потерь. Механические потери оцениваются величиной мощности механических потерь  и значением механического К.П.Д. :

Механические потери являются частью индикаторной мощности, расходуемой в самом двигателе. В связи с этим необходимо величину этих потерь снижать до минимума.

Мощность механических потерь является суммой следующих составляющих:

где  — потери на преодоление трения,

 — насосные потери,

 — потери на привод в действие различных механизмов,

 — потери на привод компрессора,

 — вентиляционные потери.

Величина  будет возрастать при уменьшении .

На режимах полных нагрузок значение  будет максимальным, но на частичных нагрузках  уменьшается и , т.к. величина  при изменении нагрузки практически изменяется мало.

Для автотракторных двигателей по книге Дьяченко

Для дизелей КДМ-35 (n = 1400 об/мин) из всей мощности трения на трение в кривошипно-шатунном механизме приходится 74,12%, на привод вентилятора – 13,15%.

Для оценки экономичности работы двигателя в целом используется эффективный К.П.Д. и эффективный расход топлива.

Эффективный К.П.Д.  представляет собой отношение теплоты, эквивалентной эффективной работе, к теплоте, затраченной на получение этой работы.

Таким образом,  учитывает как тепловые, так и механические потери в двигателе.

;

;

,

где 3600 – термический эквивалент работы, кДж.

 — удельный эффективный расход топлива в кг/(л.с.ч.) или м³/(л.с.ч.)

По данным книги Дьяченко для существующих двигателей и  могут иметь следующие величины:

Расходы топлива г/л. с.ч. получены в тихоходных двухтактных судовых дизелях, работающих с пониженным наддувом, когда ÷8,5 кг/см² и n = 100÷120 об/мин. В четырехтактных дизелях средней быстроходности расходы топлива могут понижаться до = 140÷145г/л.с.ч., но при высоком наддуве, когда =15÷20 кг/см² (1,47÷1,96 МПа).

Повышение удельной мощности двигателей.

Мощность двигателя можно повысить, увеличивая размеры и рабочий объем двигателей; однако при этом возрастает их масса и габаритные размеры. Необходимо повышать мощность двигателя без увеличения его габаритных размеров и массы.

Увеличение размеров цилиндра и их числа обычно имеет ограничения. В настоящее время по производственным соображениям максимальные размеры диаметра цилиндра не превышает 1000мм (в настоящее время достигнут предел в 1060мм). Обычно применяемые диаметры цилиндров для тронковых двигателей 80÷600мм, а для крейцкопфных 500÷1060мм. При этом для цилиндров малых размеров характерно переохлаждение камеры сгорания вследствие неблагоприятных соотношений между поверхностью и объемом камеры сгорания, а для цилиндров больших диаметров – высокая тепловая напряженность камеры сгорания и особенно поршня. Поэтому уже при диаметре цилиндра 200÷300мм необходимы конструктивные мероприятия по специальному охлаждению поршней.

Применение диаметров цилиндров для дизелей менее 65мм влечет за собой непреодолимые трудности по организации хорошего процесса смесеобразования.

При сохранении быстроходности двигателя динамические силы в случае увеличения размеров поршня могут превысить допустимые пределы, поэтому необходимо снижать число оборотов коленвала. При = 900÷1000мм  n не превышает 120об/мин. Увеличение числа цилиндров при сохранении их размеров и числа оборотов коленвала тоже имеет предел. В случае объединения в одном агрегате большого числа цилиндров (иногда оно достигает 50 и более). Конструкция двигателя становится очень сложной и его эксплуатация чрезмерно. При большом числе цилиндров трудно заметить ухудшение работы одного или даже нескольких цилиндров.

Увеличение числа оборотов двигателя ограничивается для каждого размера поршня возникающими силами инерции. Для двигателей гоночных автомобилей с = 50÷60мм удается достичь n = 10000÷12000 об/мин. Для серийных автомобильных двигателей в настоящее время = 4500÷5500 об/мин. Поэтому повышение мощности двигателя стремятся достигнуть улучшением использования рабочего объема двигателя и увеличением его литровой или поршневой мощности.

Увеличение литровой мощности при неизменном числе оборотов можно достичь следующими способами:

а) повышение Е;

б) улучшение коэффициента наполнения ;

в) увеличением массового заряда цилиндра;

г) использованием энергии выпускных газов

д) применением комбинированных схем двигателя.

Повышение степени сжатия.

При этом можно повысить среднее индикаторное давление. Однако при увеличении Е>18 прирост среднего индикаторного давления уменьшается, т.к. значительно быстрее возрастают механические потери в двигателе вследствие повышения . Следовательно, нецелесообразно увеличивать Е выше 18÷20.

В дизелях описанный выше способ повышения мощности уже использован; этим способом можно повысить литровую мощность лишь в двигателях с меньшими Е, т. е. в карбюраторных. Но в них Е ограничивается качеством применяемого бензина. При несоответствии качества бензина  двигателя в нем возникает детональное горение. Применение высокооктановых топлив позволяет повысить  у двигателей с принудительным зажиганием до 10÷11. При дальнейшем повышении  значительно возрастает , что приводит к необходимости повышения прочности деталей двигателя и, соответственно, к его утяжелению.

Улучшение наполнения цилиндра.

Улучшение наполнения цилиндра дает возможность сжечь без образования дыма большее количество топлива, т.е. получить большую мощность в цилиндре данного объема и увеличить максимальное число оборотов коленвала без существенного снижения индикаторного давления.

Коэффициент наполнения  можно увеличить, уменьшая общее сопротивление впускного трубопровода, воздушного фильтра и карбюратора. В многоцилиндровом двигателе обычно наблюдается большая неравномерность наполнения цилиндров, что приводит к понижению мощности отдельных цилиндров и уменьшению общей мощности двигателя. Поэтому необходимо стремиться к одинаковому наполнения цилиндров двигателя.

В дизелях при одинаковой (максимальной) подаче топлива во все цилиндры неравномерность подачи воздуха приводит к дымному сгоранию в некоторых цилиндрах, вследствие чего приходится уменьшать максимальную подачу во всех цилиндрах, т.е. понижать общую мощность двигателя.

Для двигателей с принудительным зажиганием неравномерность подачи смеси по цилиндрам приводит к уменьшению ее количества в отдельных цилиндрах и к понижению мощности этих цилиндров. Следовательно, устранение неравномерности наполнения цилиндров дает возможность увеличить общую мощность многоцилиндрового двигателя.

Увеличение массового заряда цилиндра позволяет увеличивать количество сжигаемого топлива, в результате чего повышается мощность. Основным способом увеличения массового заряда двигателя служит наддув двигателей, т.е. подача свежего заряда в цилиндр двигателя под давлением.

В двигателях с принудительным зажиганием появление детонационного сгорания определяется значениями температуры и давления конца сжатия горючей смеси; поэтому применение наддува в них обычно нецелесообразно, т. к. вызывает необходимость уменьшения степени сжатия. Наддув двигателей такого типа рационально использовать только для кратковременного формирования их и компенсации потери мощности при работе в разряженной атмосфере (авиационные поршневые двигатели).

В дизелях с наддувом увеличивается количество кислорода в цилиндре, что позволяет сжигать большее количество топлива и получать большую мощность при том же рабочем объеме. Наддув может быть применен как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей.

Увеличение мощности двигателя при установке компрессора с механическими приводами равно разности мощности, полученной двигателем за счет наддува, и мощности, затраченной на привод компрессора. В случае уменьшения нагрузки, т.е. при работе двигателя с неполной мощностью и постоянным числом оборотов, а следовательно, с постоянным числом оборотов компрессора, выигрыша мощности не будет, и двигатель станет менее экономичным, чем при работе без наддува. Ухудшение экономичности двигателя при работе с частичной нагрузкой является основным недостатком этой системы наддува. Преимуществом ее является быстрое достижение компрессором максимального числа оборотов.

Компрессор с приводом от постороннего источника энергии имеет все преимущества компрессора с механическим приводом и позволяет регулировать подачу воздуха при изменении нагрузки по заданному закону. Кроме того, использование такого привода в значительной мере облегчает пуск двигателя. Недостатком рассматриваемого привода следует считать наличие дополнительного двигателя, что, несомненно, повышает стоимость силовой установки.

Наиболее часто в настоящее время для привода компрессора используется газовая турбина, работающая на выпускных газах двигателя. Применение газотурбинного двигателя позволяет исключить сложный и достаточно дорогостоящий механический привод, облегчает компоновку силовой установки и обеспечивает саморегулирование подачи воздуха при уменьшении нагрузки.

Использование энергии выпускных газов в турбине повышает степень расширения газов и эффективную мощность двигателя. Выпускные газы двигателя перед турбиной, в зависимости от его форсирования, имеют температуру 370 – 600⁰ С в двухтактных двигателях и 500 – 700⁰ С – в четырехтактных.

Количество выпускных газов, приходящихся на единицу массы сжигаемого топлива, зависит от коэффициента избытка воздуха и коэффициента продувки.

Информация в лекции «Задачи менеджмента информационных технологий» поможет Вам.

В двухтактных двигателях на единицу массы сжигаемого топлива требуется в 1,5-2 раза больше воздуха, чем в четырехтактных, что приводит к необходимости увеличивать размеры и производительность компрессора и мощность его привода.

В двухтактных двигателях при давлении наддува более 1,5 кг/см² мощности турбины недостаточно для привода компрессора, поэтому часто применяют комбинированный привод. Первая ступень – компрессор (низкого давления) – приводится в движение турбиной, вторая ступень – компрессор (высокого давления) – от коленвала двигателя.

Применение наддува в двигателях.

Стремление к существенному повышению агрегатной мощности двигателей приводит к необходимости принудительного увеличения весового заряда цилиндров воздухом посредством наддува. Степень повышения мощности двигателя при наддуве можно оценить по так называемой степени наддува , представляющей собой отношение среднего эффективного давления (мощности) двигателя при наддуве к среднему эффективному давлению двигателя без наддува.

В настоящее время реальными являются значения =1,5 ÷2 и выше. Различают наддув скоростной, инерционный, механический, газотурбинный и комбинированный.

Что такое КПД двигателя? (с картинками)

`;

Автомобили

Факт проверен

Лори Килчерманн

Дата последнего изменения: 20 октября 2022 г.

КПД двигателя относится к способности двигателя преобразовывать доступную энергию топлива в полезную рабочую мощность. Современный бензиновый двигатель внутреннего сгорания работает в среднем примерно на 20-30 процентов эффективности двигателя. Оставшиеся 70–80 процентов тепловой энергии бензина выбрасываются двигателем в виде тепла выхлопных газов, механической звуковой энергии или потерь на трение. На холостом ходу КПД двигателя равен нулю, так как двигатель не приводит в движение транспортное средство, а только приводит в движение вспомогательные устройства, такие как водяной насос и генератор.

Дизельные двигатели

немного эффективнее. Дизельный двигатель использует высокую степень сжатия для воспламенения топлива. Это более высокое сжатие компенсирует паразитные потери тепла двигателя и приводит к примерно 40-процентному КПД двигателя от холостого хода до почти 2000 оборотов в минуту. Такая эффективность двигателя наблюдается только у дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива.

Коэффициент сжатия двигателя влияет на его эффективность. Частично это связано со способностью двигателя преобразовывать тепло от процесса зажигания в работу, производящую энергию. Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает при степени сжатия не более 10:1. И наоборот, типичный дизельный двигатель может работать со степенью сжатия до 25:1. Чем выше степень сжатия, тем лучше общий КПД двигателя.

Количество кислорода, которое двигатель может поглотить, напрямую влияет на его способность работать более эффективно. Это причина введения закиси азота в топливную систему бензинового двигателя. Закись азота добавляет молекулы кислорода в топливо, позволяя сжигать больше топлива в камере сгорания. Это сжигание добавленного топлива позволяет двигателю работать более эффективно.

Тип топлива также напрямую влияет на КПД двигателя. Бензин с более высоким октановым числом позволит двигателю работать с более высокой степенью сжатия. Это, в свою очередь, повышает КПД двигателя. Топливо, такое как нитрометан, производит кислород, тем самым создавая гораздо большую мощность, позволяя сжигать больше топлива в двигателе.

Некоторые двигатели еще менее эффективны. Поршневой паровой двигатель, например, работает примерно с 8-процентным КПД двигателя. Это было основным фактором упадка парового локомотива. С другой стороны, паровые турбины работают с уровнями эффективности, равными или превышающими уровни эффективности дизельного двигателя.

Вот почему паровая турбина используется для электростанций. Газотурбинный двигатель является наиболее эффективным из всех двигателей при работе на полной мощности. Они используются для производства электроэнергии в периоды интенсивного использования и отключаются после удовлетворения дополнительной потребности.

Вам также может понравиться

Рекомендуется

КАК ПОКАЗАНО НА:

Эффективность двигателя

Aero: как далеко мы можем продвинуться? — INNOVATE

8 января 2015 г. , автор Andrea Bristot

Современные производители авиадвигателей испытывают растущее давление со стороны клиентов и государственных учреждений, требующих снижения расхода топлива. Потребность авиакомпаний в минимизации эксплуатационных расходов в сочетании с общим стремлением иметь «более экологичные» двигатели (как четко указано в целях ACARE ЕС и FAA США) требует, чтобы отрасль авиационных двигателей была одной из самых передовых областей исследований в мире. инженерия. Высокая конкуренция между производителями еще больше расширяет возможности новых технологий для снижения расхода топлива, выбросов, шума и затрат на техническое обслуживание. Но как еще мы можем увеличить тепловой цикл реактивного двигателя, чтобы повысить эффективность?

Из законов термодинамики мы знаем, что для получения полезной работы от тепловой машины нам необходимо сжать рабочее тело (в нашем случае воздух), нагреть его, а затем преобразовать энергию горячих газов в механическую и кинетическую энергия. Другими словами: сосать, сжимать, сжигать и дуть.

Рисунок 1 – Упрощенный принцип работы газовой турбины

Насколько хорошо мы преобразовываем тепловую энергию горящей топливно-воздушной смеси в полезную энергию, будет определять эффективность нашей машины. Наш путь теперь разделяется между тем, что мы может получить из топлива и что мы на самом деле можем получить.

Во-первых, еще раз, законы термодинамики приходят в простой форме, чтобы помочь нам. Для идеального цикла Брайтона, лежащего в основе принципа работы реактивных двигателей, мы обнаруживаем, что тепловой КПД увеличивается по мере увеличения отношения давлений между камерой сгорания и внешней атмосферой. Корреляция не является линейной, что означает, что увеличение коэффициента давления должно быть постепенно больше, чтобы сделать следующий шаг в повышении эффективности.

Если мы добавим некоторые числа в наше уравнение, мы обнаружим, что для текущего значения коэффициента сжатия 50, достижимого в новейших коммерческих двигателях, идеальный тепловой КПД (например, соотношение между полезной мощностью работы и тепловложением) составляет порядка 67%. Чтобы достичь порога 70%, нам нужно подняться до значения степени сжатия 68. Это означает, что степень повышения давления на 36% выше для повышения эффективности на 3%, и подразумевает серьезные технические проблемы.

Теперь наша задача переходит ко второй части пути, то есть к реальный КПД двигателя. Этот параметр количественно определяет фактическую производительность машины по отношению к подводимому теплу. Следовательно, с практической точки зрения полезнее понять, насколько хорошо двигатель преобразует доступную энергию в полезную работу. Теперь в игру вступают многие другие параметры.

Прежде всего, расход топлива двигателем во время полета будет зависеть от того, насколько хорошо мы преобразуем энергию газа в тягу, которая количественно определяется тяговой эффективностью. Максимальная тяговая эффективность достигается, когда выхлопные газы имеют ту же скорость, что и окружающий воздух, что, конечно, является идеальным условием. Мы можем повысить тяговую эффективность, увеличив размер вентилятора, что примерно эквивалентно оснащению аквалангиста более длинными ластами: массовый поток, проходящий через двигатель, будет больше, но выбрасывается с меньшей скоростью.

Произведение между реальным тепловым КПД и тяговым КПД дает желаемый результат, например. общий КПД двигателя, который выражается в скорости сжигания топлива. Поскольку параметров, влияющих на общую эффективность, несколько, были разработаны соответствующие программы для расчета ее значения. Один простой и полезный инструмент для количественной оценки влияния различных параметров на эффективность реактивного двигателя предоставляется НАСА и доступен здесь.

Испытание, проведенное с помощью этого инструмента с использованием актуальных входных данных, дало общую эффективность около 50% для самолета в крейсерском режиме. Это хороший результат, но он очень далек от идеальных 67%. Куда ушла оставшаяся энергия?

Часть его, как объяснялось выше, отсутствует из-за далекой от идеала тяговой эффективности. Следовательно, он теряется при смешении выбрасываемых двигателем газов с окружающим воздухом в результате турбулентных столкновений частиц воздуха.

Еще одна отсутствующая часть связана с эффективностью компонентов внутри двигателя, которая не так идеальна, как хотелось бы. На самом деле воздух трудно сжимать; он имеет тенденцию нагреваться и, следовательно, рассеивает часть подводимой энергии в виде тепла. Само сгорание приводит к потерям энергии, и хотя в настоящее время сгорает почти 100% топлива, небольшие его порции могут улетучиваться из камеры сгорания. Наконец, суровые условия в турбине приводят к необходимости систем охлаждения, что достигается ценой потерь энергии. Кроме того, все подсистемы внутри двигателя, такие как шестерни, электрические системы, пневматические системы и масляные системы, предполагают отбор мощности.

Имея все это в виду, мы находим три варианта повышения общего КПД двигателя:

• увеличение идеального теплового КПД, следовательно, верхний предел, который может быть достигнут
• увеличить КПД
• приблизить реальный тепловой КПД к идеальному значению

Во-первых, все, что нам в идеале нужно сделать, это увеличить общую степень сжатия двигателя (OPR). Хотя это может показаться простым, связанные с этим технические проблемы значительны: чем больше мы сжимаем воздух, тем выше его температура. Это подразумевает высокое тепловыделение, что означает повышенные потери энергии в компрессоре. Более того, по мере уменьшения объема воздуха лопатки компрессора будут постепенно укорачиваться до точки, в которой зазор между лопаткой и стенками становится значительной частью длины лопатки, что приводит к недопустимым обратным потокам воздуха. Для решения этих проблем необходимо создать новую архитектуру, включающую промежуточные охладители и компрессоры малого диаметра.

Рисунок 2. Некоторые концепции двигателей с высоким OPR. Источник: NEWAC

Чтобы ответить на наш второй вопрос, т.е. с увеличением эффективности тяги, текущая тенденция заключается в переходе к более крупным вентиляторам, тем самым увеличивая их вклад в общую тягу. В этом случае задача состоит в том, чтобы позволить вентилятору и приводящей его турбине вращаться с оптимальной скоростью.

Возможность развязки скоростей вращения была недавно достигнута компанией Pratt & Whitney, которая разработала в сотрудничестве с Avio систему привода вентилятора, способную обрабатывать крутящий момент, создаваемый турбиной низкого давления, для своего семейства двигателей PurePower среднего диапазона. Учитывая осуществимость и обоснованность этой системы, компания Rolls-Royce недавно объявила, что она также применит силовую коробку передач в своей концепции двигателя дальнего действия UltraFan.

Последним из трех наших пунктов является повышение КПД компонентов, чтобы приблизить реальный тепловой КПД к соответствующему идеальному значению. Этого можно добиться за счет улучшения конструкции таких компонентов, как компрессор, камера сгорания и турбина, лучшего управления температурой ядра двигателя, инновационных материалов и рационализации отбора мощности. Для последней цели в отрасли была разработана тенденция к увеличению количества ядер электрических двигателей с целью упрощения архитектуры двигателя за счет удаления или, по крайней мере, уменьшения размеров пневматических, гидравлических и механических отводов. Значительная часть деятельности Университета Ноттингема в рамках его Исследовательской группы по силовой электронике, машинам и управлению направлена ​​на изучение и разработку технологий для этой цели. Другие проекты, направленные на повышение эффективности ядра авиадвигателя, являются частью рабочего пакета 1 программы INNOVATE. Эти проекты касаются разработки технологий для улучшенных масляных систем и герметизации воздуха, а также предусматривают интеграцию нового электрического оборудования в активную зону.

В заключение, авиадвигателестроение сталкивается с серьезными постоянными проблемами, связанными с разработкой более экономичных двигателей. Верхняя граница предела энергоэффективности устанавливается законами термодинамики, которые дают нам точное значение того, как далеко мы можем продвинуться с нашим текущим циклом двигателя.

На данный момент инвестиции направлены на повышение эффективности компонентов и подсистем двигателя, а также на повышение эффективности тяги. Возможности для улучшения в этом смысле, хотя и ограничены, по-прежнему многообещающи и позволяют архитектуре авиационных двигателей развиваться постепенно, с небольшим количеством рискованных отклонений от хорошо зарекомендовавших себя, надежных базовых конструкций.