2.2.6 Индикаторные показатели рабочего цикла

Эффективность действительного теплового цикла ДВС характеризуется индикаторными показателями, которые определяются расчетом или экспериментально при обработке индикаторных диаграмм. Рассмотрим следующие индикаторные показатели: среднее индикаторное давление Pi; индикаторную мощность Ni; индикаторный КПД ƞi; удельный индикаторный расход топлива gi.

Средним индикаторным давлением p¡ ДВС называется условное постоянное давление газа, которое, действуя на поршень при расширении, совершает работу, равную работе газов за весь цикл.

Индикаторная расчетная (теоретическая) работа газов, Дж, за один цикл в одном цилиндре

Формула 18

где p¡p — расчетное среднее индикаторное давление цикла, МПа;

Формула 17— площадь поршня, см2 , Du — диаметр цилиндра, см, S — ход поршня, см.

Отсюда получаем расчетное среднее индикаторное давление, МПа:

Формула 16

Чтобы понять физический смысл понятия расчетного среднего индикаторного давления p¡p, рассмотрим индикаторную диаграмму в координатах р— V на рис. 2.8. Геометрически среднее индикаторное давление газа p¡ — это высота прямоугольника, равновеликого полезной площади действительной индикаторной диаграммы, построенного на основании Vh. Работа, эквивалентная площади теоретической индикаторной диаграммы, для рабочего цикла дизеля определится следующим образом:

Формула 15

Индикаторная диаграмма и среднее индикаторное давление

Рис. 2.8. Индикаторная диаграмма и среднее индикаторное давление: р — давление газа; V— объем, занимаемый газом; Vс, Vh, Vа — соответственно
объем камеры сгорания, рабочий объем цилиндра и полный объем цилиндра;
ВМТ, НМТ — соответственно верхняя и нижняя мертвые точки положения
поршня; r — начало впуска; а — начало сжатия; с — конец сжатия; z' — начало расширения при постоянном давлении у дизеля; r — начало расширения
при изменяющемся давлении; b — конец расширения; р0 — давление атмосферного воздуха; рi — среднее индикаторное давление газа

где Lz'z, Lzb — работа газов соответственно на участках z'z и zb, Дж;
Lас — работа сжатия газа на участке ас, Дж.

Суммарная полезная работа, Дж, за цикл дизеля после определения
и сложения выражений для Lz'z, Lzb, Lас и соответствующих
преобразований.

формула 13

Делением полезной работы L, Дж, на рабочий объем Vh, см3, цилиндра получаем с учетом формула 12иформула 11выражений расчетное (теоретическое) среднее индикаторное давление дизеля, МПа:

формула 10

Уравнение расчетного среднего индикаторного давления рабочего цикла бензинового двигателя получаем при подстановке в предыдущее уравнение р = 1 и δ =ε, т.е.

формула 9

Площадь действительной индикаторной диаграммы меньше теоретической диаграммы за счет скругления у расчетных точек с, z', z, b и насосных потерь Δр, возникающих при впуске и выпуске газа. Скругления диаграммы обусловлены тепловыми потерями, поскольку реальный процесс горения отличается от теоретического горения.

Среднее индикаторное давление, МПа, действительного цикла

формула 8

где φg — коэффициент, учитывающий полноту действительной индикаторной диаграммы (φg = 0,92…0,97). Значения коэффициента φдля бензиновых ДВС больше, чем для дизелей.

Насосные потери, МПа, в четырехтактных двигателях равны разности давлений на выпуске Pr и на впуске Pа:

формула 7

Действительная величина среднего индикаторного давления рi, при полной нагрузке составляет, МПа:

Бензиновые ДВС Дизели
  без наддува с наддувом
0,8… 1,2 0,9… 1,2 До 2,5

Индикаторная мощность Ni,- — мощность, развиваемая газами в цилиндре двигателя, — это работа газов в единицу времени (кДж/с).

Индикаторная работа Li кДж, за один цикл многоцилиндрового1 двигателя с числом цилиндров i

1 В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров
выражается в литрах (1 л = 1 дм3) и называется литражом двигателя.

формула 6

где Vh=FS— рабочий объем цилиндра, л.

Умножив индикаторную работу на число рабочих циклов в  секунду формула 5—, получим индикаторную мощность, кВт:

формула 4

где 2n — число ходов поршня в минуту; n — частота вращения коленчатого вала в минуту, мин-1; τ — число тактов за рабочий цикл (тактность).

В действительном цикле ДВС часть теплоты отводится системой охлаждения, а часть теряется с отработавшими газами, через стенки цилиндров и за счет неполного сгорания топлива. Степень использования теплоты в действительном цикле оценивается индикаторным КПД.

Индикаторным КПД ƞi, называется отношение индикаторной работы, кДж, произведенной газами в цилиндре ДВС, к расчетной теплоте, получаемой при полном сгорании топлива:

формула 3

где GT, — часовой расход топлива, кг/ч; hu— низшая удельная теплотворная способность топлива, кДж/кг; 3 600 — часовая индикаторная работа, кДж/(кВт ч) (термический эквивалент работы, равный 1 кВт ч).

Индикаторный КПД ƞi,можно также выразить через параметры рабочего цикла где V0 — теоретически необходимое количество молекул воздуха для полного сгорания этого топлива, кмоль; ƞv — коэффициент наполнения цилиндра; р0, T0— давление, МПа, и температура, К, атмосферного воздуха.

формула 2

Индикаторные показатели действительных циклов четырехтактных ДВС

Таблица 2.3

Двигатель

р,, МПа

ƞi

gi г/(кВт ч)

Дизель:

без наддува

с наддувом

 

0,9… 1,2

1,4…2,5

 

0,4…0,5

0,4…0,5

 

170…220

160.„200

Бензиновый

0,9… 1,2

0,3….0,4

190…280

Из формулы следует, что индикаторный КПД цикла зависит, в основном, от значений среднего индикаторного давления Pi МПа, коэффициента избытка воздуха а и коэффициента наполненияƞv цилиндра. Индикаторный КПД цикла характеризует эффективность протекания теплового процесса в двигателе.

Для дизелей значения индикаторного КПД ƞi, = 0,4…0,5; для бензиновых ДВС — 0,3…0,4. Экономичность действительного цикла оценивается удельным индикаторным расходом топлива g¡. 

Индикаторный расход топлива g¡ — расход топлива, г/(кВт ч), необходимый для получения 1 кВт индикаторной работы в 1 ч:

формула 1

С учетом зависимости для индикаторного КПД ƞi,- индикаторный расход топлива можно представить также в следующем виде:

2.2.6 Индикаторные показатели рабочего цикла

Индикаторные показатели действительных циклов ДВС приведены
в табл. 2.3.