Лекции по энергетическим машинам подъемно-транспортных машин

Лекции по энергетическим машинам подъемно-транспортных машин

История развитая тепловых двигателей.

Первая работоспособная паросиловая установка была предложена Томасом Ньюкоменом (кузнец, изобретатель) — в 1712 г.

Российский изобретатель И.И. Ползунов в 1763 г., разработал проект пароатмосферной машины для привода кузнечных мехов.

Изобретателем и создате­лем паровой машины (поршневого парового двигателя) счита­ют шотландца Джеймса Уатта (1736-1819).

Патент на машину простого действия был получен Д. Уаттом в 1769 г.

Заслуги Джеймса Уатта в технике и энергетике настолько велики, что во всем мире единица измерения мощности была названа в его честь Watt[W] (по-русски принято читать и обозначать это наименование как «Ватт» [Вт]).

Паровая турбина. Работоспособная активная паровая турбина была изобретена в 1883-1889 гг. шведским инженером Густавом де Лавалем (1845-1913)

Двигатели внутреннего сгорания

Теоретической основой для создания такого двигателя мог служить идеальный термодинамический цикл процесса преобра­зования тепловой энергии в механическую работу, предложен­ный французским инженером Сади Карно в 1824 г.

Первыми работоспособными Д.В.С. считают­ся двигатели, работавшие на светильном газе, которые создал Жан-Этьен Ленуар во Франции. Он получил патент в 1860 г

Маленькие двигатели Ленуара (с мощностью по­рядка 0,5-1 кВт) сразу завоевали большую популярность в Ев­ропе, к.п.д. двигателя оценивался на уровне 3%.

Двигателем Ленуара заинтересовался немецкий изобретатель-самоучка, Николаус Аугуст Отто (1832-1891). В 1866 г. ему удалось получить пер­вый патент на усовершенствованный газовый двигатель. В 1867 г. маленький мотор Отто был показан на Всемирной Парижской выставке и получил золотую медаль, несмотря на то, что в экспо­зиции выставки было представлено еще не менее полутора десят­ков газовых двигателей разных изобретателей — моторчик Отто работал экономичнее всех других. Отто со своими партнерами организовал производство двигателей. Успеху фирмы способ­ствовало приглашение двух талантливых немецких инженеров. Их имена известны и сегодня — это были Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. До сих пор в Германии существуют фирмы и автомобильные заводы, ими организованные.

В 1883 г. Г. Даймлер. построил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, в котором вместо светильного газа использовалось более компак­тное жидкое топливо — бензин. Горючая смесь в виде паров бензина и воздуха образовывалась в специально разработан­ном им устройстве — карбюраторе.

Вскоре, поставив карбюраторный бензиновый двигатель на повозку, Даймлер построил первый - настоящий автомобиль. В 1891 г. завод Г.Даймлера построил первый в Европе неболь­шой промышленный локомотив автомобильного типа с зубча­той передачей между двигателем и колесами. Его мощность была всего 4 л.с. С 1893 г. автомобильный завод Даймлера строил и самоходные рельсовые вагоны — автомотрисы (рель­совые автобусы) для немецких железных дорог.

Дизельные двигатели внутреннего сгорания. В конце 1897 гнемецкий инженер Рудольф Дизель, создал двигатель внутреннего сгорания, в котором тяжелое жидкое топливо самовоспламенялось в цилиндре от высокой температуры сжатого в нем воздуха. С тех пор такие двигатели называют по имени их созда­теля - дизелями. Принцип подачи топлива, был глав­ным элементом в изобретении Дизеля.

В 1896 г. российский специалист Г.В. Тринклер, работавший в Нижнем Новгороде, построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания высокого сжатия. Тринклер, сделав заявку в 1899 г., получил патент только в 1904 г. По этому «смешанному» циклу (циклу Тринклера) и работают все современные бескомпрессор­ные дизельные двигатели.

Газотурбинные установки.

Одним из первых создателей промышленного образца ГТУ был русский инженер П.Д.Кузьминский. В период с 1894 по 1900 г.г. им была спроектирована и построена ГТУ со сгора­нием топлива при постоянном давлении.

В 1900-1904 гг. была изготовлена ГТУ немецким инженером Штольцем, но в процессе испытаний установка не развивала мощности, необходимой даже для вращения компрессора. В 1906 г. французскими инженерами Арманго и Лемалем был построен ГТУ мощностью 300 кВт, но ее КПД был очень низок.

В 1908 г, русский инженер В.В.Караводин постро­ил ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме. КПД этой установки не превышал 2,4%.

 

 

Теоретические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

 

В теоретическом цикле в отличии от действительных отсутствуют потери теплоты, за исключением неизбежной отдачи теплоты холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики. Теоретические циклы совершаются при соблюдений следующих условий:

- цикл является замкнутым (обратимым) и протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела, в качестве которого используется идеальный газ;

- процесс сгорания топлива в цилиндре заменен мгновенным подводом теплоты от постороннего горячего источника, а процесс выпуска отработавших газов мгновенным отводом теплоты в холодный источник;

- процесс сжатия и расширения протекают без теплообмена с внешней средой, т.е.принимаются адиабатными;

- теплоемкость рабочего тела на протяжении всего цикла считается постоянной, не зависящей от температуры.

- Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

- Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (Δ U = 0):

A = Q.

- Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A ₁, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A ₂, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A ₁ + A ₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Рисунок 3.11.1.

- Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q ₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q ₂ < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно

Q = Q 1 + Q 2 = Q 1 – | Q 2|.

- При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (Δ U = 0). Согласно первому закону термодинамики,

Δ U = Q – A = 0.

- Отсюда следует:

A = Q = Q 1 – | Q 2|.

- Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q ₁, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Рис.3.11.2 Энергетическая схема тепловой машины: 1 –нагреватель, 2 – холодильник, 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс.

 

В результате указанных ограничений в энергетике (для получения работы) широкое применение пока находят только два базовых термодинамических цикла: цикл Ренкина и цикл Брайтона. Большинство энергетических установок строится на сочетании элементов указанных циклов.

Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).

Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли Δ U его внутренней энергии. Для 1 моля газа

A = –Δ U = – CV (T 2 – T 1),

где T ₁ и T ₂ – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам

A 23 = – A 41.

По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть

1.29

 

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T ₁ и холодильника T ₂:

1.30

 

Следует обратить внимание читателя на большую и принципиальную разницу формул (1.29) и (1.30). Первая из них —не более чем алгебраическая форма записи термического КПД. Вторая формула, (1.30), показывает, что максимально возможный термический КПД идеального термодинамического цикла не зависит от природы и свойств рабочего тела, а определяется только температурами подвода теплоты Т 1и ее отвода Т 2.

Определен также цикл, по которому должна работать установка, имеющая максимальный КПД. Этот цикл должен иметь изотермические процессы подвода и отвода теплоты и адиабатические процессы сжатия и расширения. Подобный цикл получил названия «идеального цикла Карно». Соответственно, формула (1.30) — «КПД идеального цикла Карно».

На рис. 1.9 в T, S –координатах такой цикл показан, ему соответствует прямоугольник а – b – c – d – a. Следует обратить внимание, что если координата Т не зависит от свойств рабочего тела, то координата S представляет собой функцию состояния, различную для различных веществ (подробнее об этом можно узнать из учебников термодинамики).

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году

Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно^.

 

Описание цикла Карно

Рис.1.9 Цикл Карно в координатах T—S

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой , холодильника с температурой и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).

1. Изотермическое расширение (на рис. 1 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.

2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника, тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты . Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Кпд тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

 

КПД цикла Карно всегда меньше единицы, точнее— приближается к единице в области нулевого значения абсолютной температуры. Если принять в цикле Карно температуру подвода тепла Т 1 = 273 К, что приближается к температуре, максимально достижимой при сжигании органического топлива, а температуру отвода тепла считать соответствующей средним атмосферным условиям Т 2 = 298 К, то получим значениеη=0,88. Очевидно, что это предельное значение, которое вряд ли когда-либо будет достигнуто в тепловых двигателях, использующих органическое топливо.

Ближе всего к идеальному циклу Карно приближается цикл Ренкина на насыщенном паре: подвод и отвод тепла в нем изотермические (испарение и конденсация). По такому циклу работают турбоустановки большинства современных атомных электростанций. Для реального на сегодняшний день интервала рабочих температур КПД цикла Карно на энергетических установках этих электростанций составляет примерно 0,45. КПД лучших современных парогазовых установок 0,6, хотя их термодинамический цикл менее похож на цикл Карно. Таким образом, приближение к циклу Карно не является самоцелью при выборе цикла энергетической установки.

 

Анализ и оптимизация термодинамических циклов—задача аналитическая. Однако прежде, чем приступать к расчетам, следует наглядно представить себе структуру расчетной задачи. Тут неоценимую услугу оказывают диаграммы состояния. Выше уже отмечалось, что задание двух любых параметров состояния позволяет с помощью соответствующих формул термодинамики определить значение остальных. В этой связи возможен целый ряд диаграмм состояния, из которых наибольшее распространение получили диаграммы p – v, T – s и h – s. На рис. 1.10 представлены названные диаграммы.

Диаграмма p – v удобна тем, что в ней наглядно видна работа процесса, она пропорциональна площади под линией процесса a – b. Если необходимо оценить работу цикла, то она окажется пропорциональной площади, ограниченной линиями процессов, изкоторых образован цикл. Диаграмма T – S удобно интерпретирует теплоту процесса, она также равна площади под линией процесса.

 

Рис. 1.10. Основные диаграммы состояния

 

При расчетах процессов с парами, не подчиняющимися законам идеальных газов, особые преимущество имеет h, S –диаграмма, предложенная в 1904 г. Молье. До последнего времени эта диаграмма достаточно широко применялась в практике расчетов. Ее достоинство в том, что изменения энтальпии в ней выражается отрезками (см. рис. 1.10), так что эти величины, столь характерные для применения 1-го закона термодинамики к стационарным процессам, могут быть взяты непосредственно из диаграммы. Так же непосредственно из диаграммы берутся изменения энтропии, которые характеризуют термодинамическую необратимость, связанную с действием 2-го закона термодинамики.

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:

Поэтому отработавшие газы за счет собственного избыточного давления с критическими скоростями выбрасываются из цилиндра. Истечение газов с такими большими скоростями сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители.

В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть воздуха или горючей смеси неизбежно удаляется из цилиндра вместе с выпускными газами через выпускные органы. Эта утечка воздуха или горючей смеси учитывается при выборе производительности продувочного насоса или компрессора.

В двухтактных двигателях применяются различные схемы газообмена.

Прямоточная клапанно-щелевая схема газообмена (рис. 1.8). Основными особенностями устройства двигателя этого типа являются: 1) впускные окна (1), расположенные в нижней части цилиндра, высота которых составляет около 10–20 % хода поршня. Открытие и закрытие впускных окон производится поршнем (3) при его движении в цилиндре;

2) выпускные клапаны (4), размещенные в крышке цилиндра, с приводом от распределительного вала, частота вращения которого обеспечивает открытие клапанов один раз за один оборот коленчатого вала;

Рис. 1.8. Прямоточная клапанно-щелевая схема газообмена	3) продувочный насос нагнетает воздух под давлением через открытые окна (1) для очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения свежим зарядом. Петлевая схема газообмена (рис. 1.9) значительно упрощает конструкцию двигателя по сравнению с клапанно-щелевой, но при этом ухудшается качество газообмена и возникают потери воздуха или смеси при наполнении. Петлевая схема газообмена отличается большим разнообразием конструктивного выполнения и широко применяется в двигателях различного назначения (от маломощных для мопедов до крупных, мощностью в несколько десятков тысяч киловатт для судов).
Рис 1.9. Петлевая схема газообмена

Прямоточная схема газообмена с противоположно движущимися поршнями (рис. 1.10), в которой один поршень (3) управляет впускными окнами, а другой – выпускными, обеспечивает высокое качество газообмена.

Рис 1.10. Прямоточная схема газообмена

Для предварительного сжатия горючей смеси или воздуха, как было указано выше, в двухтактных двигателях может быть использована внутренняя полость картера (кривошипная камера). Такие двигатели называются двигателями с кривошипно-камерной схемой газообмена (рис. 1.11). Они имеют герметически закрытый картер, который и служит продувочным насосом. При движении поршня от НМТ к ВМТ объем пространства под ним увеличивается и давление падает ниже атмосферного, т. е. в кривошипной камере создается разрежение.

Вследствие этого наружный воздух устремляется в картер через автоматически действующий впускной клапан. При обратном движении поршня до момента открытия впускных окон происходит сжатие свежего заряда в кривошипной камере. После открытия впускных окон сжатый свежий заряд вытесняется из камеры в цилиндр.

Рис. 1.11 Кривошипно-камерная схема газообмена

Преимущество двухтактных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена – простота устройства. Однако при данном способе газообмена очистка цилиндра и наполнение его свежим зарядом по сравнению с другими способами происходят значительно хуже, в результате чего уменьшается мощность и ухудшается экономичность двигателя.

На рис. 1.12 и 1.13 показана схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена.

Первый такт. Первый такт соответствует ходу поршня ВМТ к НМТ (рис. 1.12). В цилиндре только что прошло сгорание (линия cz на индикаторной диаграмме) и начался процесс расширения газов, т. е. осуществляется рабочий ход. Несколько раньше момента прихода поршня к впускным окнам открываются выпускной клапан в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок; при этом давление в цилиндре резко падает (участок тk на индикаторной диаграмме).

Рис 1.12. Первый такт двухтактного ДВС

 

Впускные окна открываются поршнем, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воздух, поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре продукты сгорания и заполняет цилиндр (продувка), т. е. осуществляется газообмен. Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск выпускных газов, продувка и наполнение цилиндра.

Второй такт. Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ (рис. 1.13). В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее.

Рис 1.13. Второй такт двухтактного ДВС

Давление в цилиндре к концу газообмена в двухтактных двигателях несколько выше атмосферного и зависит от давления воздуха в ресивере. С момента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10–30° по углу поворота коленчатого вала до ВМТ (точка с '), в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо. Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе.

В отличие от четырехтактного двигателя в двухтактном двигателе отсутствуют такты впуска и выпуска как самостоятельные такты, для которых требуется один оборот коленчатого вала. В двухтактных двигателях процессы выпуска и впуска осуществляются на небольших участках хода поршня, соответствующего основным тактам расширения и сжатия.

Из рассмотрения рабочего цикла двухтактного двигателя (индикаторная диаграмма на рис. 1.12) видно, что на части хода поршня, когда происходит газообмен, полезная работа не совершается. Объем V_П, соответствующий этой части хода поршня, называется потерянным. Тогда объем, описываемый поршнем при движении от точки m, определяющей момент начала сжатия, до ВМТ и называемый действительным рабочим объемом, равен

.

С учетом сказанного действительная степень сжатия

.

 

Отношение потерянного объема V_П к геометрическому рабочему объему V_h представляет собой долю потерянного объема на процесс газообмена

.

В двухтактных двигателях y» 10…38%.

Сравнение рабочих циклов четырех– и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частотах вращения мощность двухтактного двигателя значительно больше. Учитывая увеличение числа рабочих циклов в 2 раза, следовало бы ожидать и увеличения мощности в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1.5–1.7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также затраты мощности на приведение в действие продувочного насоса. К преимуществам двухтактных двигателей следует также отнести большую равномерность крутящего момента, так как полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленчатого вала.

Существенным недостатком двухтактного процесса по сравнению счетырехтактным является малое время, отводимое на процесс газообмена. Очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом более совершенно происходят в четырехтактных двигателях. Кроме того, в двухтактном двигателе температурная нагрузка на поршень, крышки цилиндра и клапана выше, чем в четырехтактном.

При внешнем смесеобразовании в результате продувки цилиндра горючей смесью она частично выбрасывается через выпускные окна, поэтому двухтактный процесс применяется чаще в дизелях. Исключение составляют мотоциклетные, лодочные и другие двигатели небольшой мощности, для которых большее значение имеет простота и компактность конструкции, чем экономичность.

 

Рис. 1.7. Энергетический баланс ДВС

Экономичность действительного цикла оценивается индикатор­ным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной в цикл с топливом Q₁, преобразуется в индикаторную работу η_i=L_i/Q₁. Этот показатель характеризует уровень тепловых потерь в двига­теле и с учетом того, что L_i = Q₁ – Q_пот, η_i = 1 - Q_пот/Q₁=1 – (Q_охл+Q_ог +Q_ис)/Q₁.

Таким образом, возрастание любого вида потерь теплоты, будь то потери при теплообмене заряда с элементами, формирующими внутрицилиндровое пространство – Q_охл (потери в окружающую среду, в основном в систему охлаждения), или потери теплоты, аккумулированной рабочим телом, покидающимцилиндр в процессе выпуска – Q_ог (потери с отработавшими га­зами), либо потери, связанные с неполным сгоранием поданного в цилиндр топлива– Q_нс (потери теплоты из-за неполноты сго­рания), вызывает уменьшение η_i.

 

 

Рис. 1.8. К определению индикаторной работы цикла

Индикаторная работа, получаемая за единицу времени, называ­ется индикаторной мощностью N_i=L_i/τ_ц (τ_ц – время реализации одного рабочего цикла). Если частота вращения коленчатого вала двигателя n, мин^-1, то величина, обратная (1/n), - время одного оборота в минутах и 60/n — в секундах. В этом случае τ_ц =(60/n)0,5 τ, где τ - коэффициент тактности, равный двум для двух- и четырем для четырехтактных двигателей. С учетом того, что р_i=L_i/V_h при количестве цилиндров двигателя, равном i, мощность N_i (кВт) равна

(1.1.)

Для оценки экономичности двигателя большее практическое применение получил параметр, называемый удельным индикатор­ным расходом топлива g_i, показывающий, какое количество топлива расходует двигатель на производство единицы индикаторной ра­боты:

(1.2.)

Величина g_i обычно выражается в г/(кВт • ч), поэтому в числителе уравнения (1.2) расход топлива задают в кг/ч, а в знаменателе работу в кВт, вследствие чего .

Индикаторная работа частично идет на преодоление внешней нагрузки (т. е. применительно к транспортным средствам передает­ся на трансмиссию), где совершает полезную работу L_e, и на ком­пенсацию потерь внутри двигателя (механические или внутренние потери) L _мп, состоящие из потерь работы на трение L _тр, на ре­ализацию процессов газообмена L _го*, на привод вспомогательных агрегатов и механизмов L _в (масляный и водяной насосы, топливоподающая аппаратура дизелей и т. д.).

Уровень механических потерь в двигателе оценивается механи­ческим КПД ,показывающим, какая доля индикаторной работы преобразуется в эффективную, или с учетом того, что .

Совокупные потери в двигателе оцениваются эффективным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной с топливом, преобразуется в эффективную работу:

; (1.3)

(1.4)

где р_е=L_e/V_h – среднее эффективное давление (параметр, аналогич­ный р_i). Эффективный крутящий момент двигателя М_к пропорци­онален р_е, т. е. .

Общепринятым для оценки экономичности двигателя является параметр, называемый удельным эффективным расходом топлива g_e, показывающий, какое количество топлива расходуется на произ­водство единицы эффективной работы:

(1.5)

Все одноименные индикаторные и эффективные показатели свя­заны между собой механическим КПД:

Значения индикаторных и эффективных показателей современ­ных двигателей транспортных машин приведены в табл. 4.1 и 4.2.

 

К недостаткам этих тепловых двигателей следует отнести большой шум при работе и низкую экономичность, что является основными причинами, ограничивающими их применение на железнодорожном транспорте. Широкое распространение эти двигатели получили в авиации и ракетной технике.

Лекции по энергетическим машинам подъемно-транспортных машин