какие потери учитывает индикаторный кпд

Основы теплотехники

Энергетические и экономические показатели работы ДВС

Действительная индикаторная диаграмма

Полезная работа, которую совершает поршень при перемещении внутри цилиндра, получается в результате частичного преобразования теплоты при сгорании топлива. Эту работу называют индикаторной.
Индикаторная работа соответствует площади, заключенной между кривой сжатия и кривой расширения на индикаторной диаграмме (рис. 1).
Площадь на индикаторной диаграмме, заключенная между кривыми впуска и выпуска, соответствует работе, затраченной на процесс газообмена (насосные ходы поршня). Как известно, точки с и z‘, полученные на расчетной индикаторной диаграмме, не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате предварительного открытия клапанов и запаздывания их закрытия относительно ВМТ и НМТ поршня часть площади, соответствующей индикаторной работе, выпадает из индикаторной диаграммы (пунктирная линия b’bb”).

Индикаторные показатели

Индикаторными показателями называют показатели, характеризующие работу, совершаемую газами в цилиндре двигателя. Эти показатели определяют эффективность использования рабочего объема двигателя и степень преобразования выделяемой теплоты в полезную работу внутри цилиндров.
К индикаторным показателям относятся:

Среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление – это условное постоянное по величине избыточное давление, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает работу, равную работе газов за весь цикл:

где L_i – работа газов за один цикл в одном цилиндре двигателя; p_i – среднее индикаторное давление; F – площадь поршня; S – ход поршня; V_h – рабочий объем цилиндра.

Тогда можно записать:

Т. е. среднее индикаторное давление численно равно работе газов за цикл, отнесенной к единице рабочего объема. Таким образом, этот показатель оценивает степень эффективности использования объема цилиндра.

Значения p_i могут быть получены расчетным путем или по индикаторным диаграммам. При расчете используют параметры характерных точек расчетных циклов. При этом работа расчетного цикла может быть выражена как разность работ расширения и сжатия:

Так как работа (и среднее индикаторное давление) действительных циклов на самом деле меньше, чем расчетных циклов, то с учетом коэффициента скругления φ_i индикаторной диаграммы:

С помощью индикаторной диаграммы можно найти среднее индикаторное давление, обозначив индикаторную работу через площадь F_i :

где m_р – масштаб диаграммы по оси ординат; l – длина диаграммы по оси абсцисс.

Индикаторная мощность

Индикаторная мощность N_i – это мощность, которая развивается газами внутри цилиндра. В общем случае мощность – это скорость выполнения работы, т. е. работа, совершаемая в единицу времени. Работа газов в цилиндрах двигателя за 1 мин рассчитывается по формуле:

где n – частота вращения коленчатого вала; τ – число тактов; i – число цилиндров.

Тогда работа, совершаемая газами за 1 сек, т. е. индикаторная мощность будет равна:

Индикаторный КПД

Индикаторный КПД η_i – это отношение теплоты, преобразованной в индикаторную работу Q_i к общему количеству теплоты затраченного топлива Q₁ :

где G_тц – цикловая подача топлива; H_и – низшая теплотворная способность топлива.

Для оценки степени уменьшения использования теплоты в действительном цикле по сравнению с термодинамическим циклом используют относительный КПД η_o :

Индикаторный удельный расход топлива

Другим показателем, характеризующим экономичность действительного цикла, является индикаторный удельный расход топлива g_i :

где G_т – часовой расход топлива.

Удельный индикаторный расход топлива и индикаторный КПД связаны между собой отношением:

Из уравнения (6) получим:

Подставив это выражение в уравнение (2), получим:

Выразив цикловую подачу топлива в зависимости от цикловой подачи воздуха и коэффициента избытка воздуха, и подставив эти выражения в предыдущее уравнение, получим:

Факторы, влияющие на индикаторные показатели

На индикаторные показатели оказывают влияние следующие факторы:

1. Топливо

Изменение фракционного состава топлива в зависимости от способа смесеобразования приводит к ухудшению или улучшению индикаторных показателей.

2. Состав смеси

Для дизельных и карбюраторных двигателей состав смеси оказывает различное влияние (рис. 2).
У карбюраторного двигателя наибольшее значение индикаторного КПД достигается при α = 1,05…1,1, когда имеет место полное и достаточно быстрое сгорание топлива.
У дизелей вследствие недостатков внутреннего смесеобразования топлива полностью сгорает при α = 2,5…4,0, чему способствует наибольшее значение индикаторного КПД. Уменьшение коэффициента избытка воздуха от указанных значений приводит к недогоранию топлива, увеличению тепловых потерь с воздухом, не участвующим в горении.

3. Угол опережения зажигания

С увеличением угла опережения зажигания увеличивается максимальное давление сгорания, «жесткость» работы, потери теплоты в окружающую среду. При позднем зажигании процесс сгорания смещается на процесс расширения, из-за чего падает давление и с ним индикаторная работа. Поэтому КПД снижается при любом отклонении угла опережения зажигания от оптимального.

4.Частота вращения коленчатого вала

Рост частоты вращения коленчатого вала приводит к увеличению индикаторного КПД, поскольку сокращается время цикла и суммарная теплоотдача в стенки цилиндров. Однако при некоторых максимальных значениях частоты вращения коленчатого вала индикаторный КПД падает, так как догорание топлива все более завершается на линии расширения (по индикаторной диаграмме).

5. Нагрузка

7. Степень сжатия

Степень сжатия влияет на индикаторный КПД также, как и на термодинамический КПД, поэтому при проектировании двигателей стремятся к увеличению степени сжатия. Однако у карбюраторных двигателей увеличение степени сжатия ограничено детонацией. У дизельных двигателей индикаторный КПД при увеличении степени сжатия более некоторых оптимальных значений будет изменяться незначительно.

8. Климатические условия (окружающая среда)

При увеличении температуры окружающей среды и снижении давления уменьшается наполнение цилиндров по массе. При неизменной подаче топлива уменьшается коэффициент избытка воздуха, что ведет к снижению показателей индикаторного КПД и индикаторного давления.

Источник

Просто о сложном, но важном КПД.

КПД…что это за зверь такой-этот коэффициент полезного действия? Звучит как-то чрезвычайно занудно, научно. Причем настолько, что вникать и разбираться тут же отпадает всякое желание. Я предлагаю не спешить закрывать страничку и набраться немного терпения. Ведь КПД для любого ДВС и даже автомобиля в целом, понятие во многом определяющее…неплохо бы понимать о чем речь.
Хочу заметить, что именно благодаря работе конструкторов над повышением КПД двигателя и трансмиссии мы имеем мощные и одновременно экономичные автомобили. Конструкции двигателей постоянно претерпевают изменения главным образом в борьбе за высокий КПД, а мощность, крутящий момент, топливная экономичность являются уже продуктом, результатом этой борьбы. Нужно понимать, что можно сделать двигатель сколько угодно большим или сжигать уйму топлива в нем, но если при этом коэффициент полезного действия этого двигателя не на высоте, не ждите от него высокой мощности. Понять это очень просто. Взгляните на характеристики автомобиля, скажем, года эдак 1930 и сопоставьте их с характеристикой авто хотя бы 2000 годов. В глаза сразу бросится факт неэффективности двигателей ушедшей эпохи.

Для начала определимся, что это вообще такое –КПД? Эта величина, собственно, показывает какая часть энергии (например-полученной при сгорании топлива)в механизме или устройстве расходуется на то, что нас интересует(например-передвижение автомобиля), а какая тратится впустую(например-нагрев системы охлаждения).Пользуясь логикой, КПД можно определить для любого механизма или системы механизмов. Достаточно «отделить зерна от плевел», иначе говоря, соотнести полезное для нас действие с нашими общими затратами энергии. Выразить математически полезную работу можно как угодно. Но так уж принято, что выражается она коэффициентом, ибо потом проще считать всяческие силы, мощности и прочую физику.
В ДВС отношение полезной механической работы, которую мы получили, к общей затраченной теплоте, полученной при сгорании топлива, называют эффективным КПД. Это основная величина и отражает она степень использования теплоты сгорания топлива в двигателе, с учетом всех видов потерь, как тепловых так и механических. Эта величина позволит нам обоснованно судить о эффективности двигателя. НО! Для оценки его эффективности на разных уровнях и этапах понятие эффективного КПД уже не подходит и в этом случае эффективный КПД разбивается на составляющие и используются еще как минимум два вида КПД это индикаторный КПД и механический КПД двигателя. Давайте разбираться что есть что и зачем?
Я думаю всем понятно, что в таком сложном механизме, как ДВС, передать энергию путем кучи преобразований и без потерь невозможно. Потери происходят из-за газообмена, когда поршень работает как насос(насосные потери), из-за трения поршня и колец о цилиндр, из-за трения в подшипниках вращающихся деталей, при приводе дополнительных механизмов, таких как газораспределительный механизм. И это далеко не все факторы. Для оценки этих потерь вводится понятие механического КПД двигателя.

Если с механикой все более или менее понятно и осязаемо, то понятиями, дающими оценку эффективности использования теплоты все не так просто.
Основным критерием оценки эффективности использования теплоты является индикаторный КПД двигателя. Он отражает степень использования теплоты в действительном, происходящем в нашем конкретном двигателе, цикле. С учетом всех тепловых потерь в нем. Математически- это отношение теплоты, которая потратилась на совершение полезной работы ко всей затраченной теплоте.
Кроме индикаторного КПД двигателя, существует термический КПД, который описывает эффективность термодинамического цикла, по которому работает данный ДВС. Теория и физика чистой воды, посему останавливаться подробно не будем.
В дополнение к термическому КПД рассмотрим относительный КПД двигателя, который дает оценку насколько удачно конструкция двигателя позволила реализовать идеальный термодинамический цикл, по сравнению с реальным, протекающим в нашем конкретном двигателе. То есть помогает нам учесть потери теплоты. Математически относительный КПД выражается отношением индикаторного(реального теплового) КПД нашего двигателя к термическому КПД идеального термодинамического цикла по которому работает наш двигатель.
И термический и индикаторный КПД рассматривают для дополнительной оценки двигателей. Математически-они две составляющие индикаторного КПД, который можно выразить произведением этих двух величин.
Подробно рассматривать термодинамические циклы не будем, ибо это дебри физики и полагаю никакого терпения не хватит читателю. Возможно в будущем найду хорошую статью и сделаю копипаст.
Как итог хочу сказать что представление о каждом из рассмотренных выше КПД двигателя, дает хороший ключ к пониманию как провести грамотный тюннинг двигателя, а так же для чего конструкторы намудрили в том или ином случае с какой-то казалось бы простой деталью. Это все в свою очередь порой хорошо прочищает мозги от безответственных, «колхозных» настроений и настраивает на грамотный, щепетильный подход к ремонту и обслуживанию автомобиля. Обо всем этом подробно я и постараюсь рассказать вам в следующих статьях.
За сим откланяюсь. Надеюсь, Вам было интересно.

Источник

Индикаторный КПД

Индикаторный КПД η_i — это отношение теплоты, преобразованной в индикаторную работу Q_i: к общему количеству теплоты затраченного топлива Q₁:

(4.8)

где G_тц — цикловая подача топлива;

Н_u — низшая теплотворная способность топлива.

Индикаторный КПД характеризует экономичность действительного цикла. Он всегда меньше термодинамического вследствие дополнительных потерь в действительном цикле, которые не учитываются при определении η_t. К таким потерям относятся теплоотдача в стенки цилиндра, потери на неполноту и несвоевременность сгорания топлива, на диссоциацию (распад) продуктов сгорания.

Для оценки степени уменьшения использования теплоты в действительном цикле по сравнению с термодинамическим используют относительный КПД η_o:

Другим показателем, который характеризует экономичность действительного цикла, является индикаторный удельный расход топлива g_i:

где G_T — часовой расход топлива.

Удельный индикаторный расход топлива и индикаторный КПД связаны между собой отношением

(4.9)

Из уравнения (4.8) получим

Подставив это выражение в уравнение (4.2), получим

Выразив цикловую подачу топлива в зависимости от цикловой подачи воздуха и коэффициента избытка воздуха и подставив эти выражения в предыдущее уравнение, получим

(4.10)

На индикаторные показатели влияют следующие факторы:

1. Топливо. Изменение фракционного состава топлива в зависимости от способа смесеобразования приводит к ухудшению или улучшению индикаторных показателей.

2. Состав смеси. Для дизеля и карбюраторного двигателя состав смеси оказывает различное влияние (рис. 4.2).

Рис 4.2. Зависимости индикаторного КПД дизеля (а)
и двигателя с искровым зажиганием (б) от коэффициента избытка воздуха

У карбюраторного двигателя наибольшие значения индикаторного КПД достигаются при а, равным 1,05—1,1, когда имеет место полное и еще достаточно быстрое сгорание топлива. У дизелей вследствие недостатков внутреннего смесеобразования топливо полностью сгорает, если а равно 2,5—4, чему соответствует наибольшее значение η_i. Уменьшение коэффициента избытка воздуха от указанных значений приводит к недогоранию, увеличению тепловых потерь с воздухом, не участвующим в горении.

3. Угол опережения зажигания. С увеличением угла опережения зажигания увеличивается максимальное давление сгорания, «жесткость» работы, потери теплоты (в окружающую среду). При позднем зажигании процесс сгорания смещается на процесс расширения, из-за чего падает давление и с ним индикаторная работа. Поэтому КПД снижает свои значения при любом отклонении угла опережения зажигания от оптимального.

4. Частота вращения коленчатого вала. Рост частоты вращения коленчатого вала приводит к увеличению индикаторного КПД, так как сокращается время цикла и суммарная теплоотдача в стенки цилиндра. Однако при некоторых максимальных значениях частоты вращения коленчатого вала η_i падает, так как догорание топлива все более завершается на линии расширения (по индикаторной диаграмме).

5. Нагрузка. У карбюраторных двигателей наибольшие значения η_i соответствуют средним нагрузкам при экономическом составе топлива (1,05

8. Климатические условия. При увеличении температуры окружа­ющей среды и снижении давления уменьшается наполнение цилиндров по массе. При неизменной подаче топлива уменьшается коэффициент избытка воздуха, что ведет к снижению показателей η_i и р_i.

В табл. 4.1 представлены значения индикаторных показателей для различных двигателей.

Таблица 4.1. Значения индикаторных показателей различных двигателей «а номинальном режиме работы

Источник

Индикаторный КПД

Индикаторный расход топлива

Для оценки экономичности двигателя применяют параметр, который называется «часовой расход топлива». Этот параметр показывает, сколько топлива израсходовал двигатель за час работы. (С_h, кг/ч). Чем меньше часовой расход топлива у двигателя данной мощности, тем экономичнее работает двигатель. Чтобы сравнивать между собой экономичность двигателей разной мощности, определяют количество топлива, расходуемого двигателем на единицу мощности в час. Количество топлива, расходуемого двигателем на единицу мощности (одну лошадиную силу) в час называется удельным расходом топлива.

Удельный расход топлива, отнесенный к индикаторной мощности, называется индикаторным удельным расходом топлива или, сокращенно, индикаторным расходом. Индикаторный расход обозначается С_i и имеет размерность кг/л.с. ⋅ ч. Или г/л.с. ⋅ ч.

Таким образом, если двигатель имеет часовой расход топлива Сh и развивает индикаторную мощность N_i , то его индикаторный удельный расход топлива будет равен

Величина индикаторного удельного расхода топлива для авиационных двигателей лежит примерно в пределах 0,170—0,210 кг/л.с.⋅ ч. Из всего тепла, внесенного в двигатель с топливом, только часть превращается в индикаторную работу. Чем большая доля внесенного тепла обращается в работу, тем выше экономичность двигателя.

Степень использования тепла, внесенного в двигатель топливом, для получения индикаторной работы определяется по индикаторному к. п. д.

Индикаторным КПД двигателя называется отношение тепла, обращенного в индикаторную работу, к теплу, внесенному в двигатель топливом. Индикаторный к. п. д. обозначается η_i и выражается в процентах или долях.

Таким образом, если в двигатель было внесено тепло Q и за счет этого тепла получена индикаторная работа L_i, то его индикаторный КПД будет равен

Индикаторный КПД η_i, можно выразить через индикаторный удельный расход топлива C_i и рабочую теплотворность топлива H_u

Действительно, количество тепла, внесенного топливом в двигатель в течение часа, равняется

где τ— время в секундах, за которое была произведена индикаторная работа L_i. В нашем случае

рассматривается интервал времени равный 1 час (3600 сек).

С учетом сказанного можно записать:

Если мы определили при испытания двигателя его индикаторную мощность N_i, часовой расход топлива С_h и индикаторный расход топлива С_i, и знаем теплотворность топлива H_u то из последнего уравнения можем найти индикаторный КПД двигателя и, следовательно, установить степень использования тепла, внесенного в двигатель топливом. Этим уравнением пользуются в тех случаях, когда по величине индикаторного КПД, найденного расчетным путем, требуется оценить величину индикаторного удельного расхода топлива.

Из уравнений видно, что индикаторный КПД η_i и индикаторный удельный расход топлива С_i, обратно пропорциональны друг другу, т.е. чем больше η_i, тем меньше С_i и наоборот. Второй вывод, который мы можем сделать, заключается в том, что если индикаторный КПД двигателя не меняется, то при работе на разных топливах индикаторный удельный расход топлива изменяется обратно пропорционально его теплотворности Hu. Так, например, при переводе двигателя с работы на бензине (Hu = 10 500 ккал/кг) на бензол (Hu = 9600 ккал/кг) или на этиловый спирт (Hu = 6700 ккал/кг) удельный расход топлива возрастет соответственно в

Основными величинами, от которых зависит индикаторный КПД, являются степень сжатия ε двигателя И. коэффициент избытка α.

С увеличением степени сжатия двигателя возрастает как работа, затрачиваемая на сжатие, так и работа, получаемая от расширения газов. При этом работа расширений возрастает на большую величину. Поэтому индикаторная работа L_i, представляющая собой разность работ расширения и сжатия, с увеличением степени сжатия увеличивается. Зависимость η_i(ε) представлена графиком на рисунке 2-1. Из графика видно, что с увеличением степени сжатия индикаторный КПД сначала возрастает очень резко, а затем рост его постепенно замедляется. Так, например, при увеличении степени сжатия на две единицы, от 3,0 до 5,0, η_i возрастает от 0,220 до 0,300, т.е. примерно на 38%, а при дальнейшем увеличении на две единицы, от 5,0 до 7,0, увеличивается от 0,300 до 0,360, т. е. всего на 20%.

Для авиационных двигателей, степень сжатия которых лежит в пределах ε =5,0÷7,5, индикаторный КПД при α=1,0 изменяется в пределах ηi=0,30÷0,37. Это значит, что в этих двигателях при теоретическом составе смеси (α=1,0) в индикаторную работу может быть обращено от 30 до 37% от тепла, внесенного топливом.

Второй величиной, влияющей на индикаторный КПД, является коэффициент избытка воздуха α, на котором работает двигатель. Если обогащать смесь, на которой работает двигатель, т. Е. увеличивать количество топлива, поступающего в двигатель, то соответственно будет увеличиваться и количество вносимого им тепла. Вместе с тем поступающее в двигатель топливо ввиду недостатка воздуха не сможет сгорать полностью и часть заключенной в нем химической энергии не перейдет в тепло и останется неиспользованной. Неполнота сгорания топлива, вызванная недостатком воздуха, называется химической неполнотой сгорания. По мере обогащения смеси химическая неполнота сгорания топлива увеличивается, при этом общее количество выделившегося тепла уменьшается незначительно вследствие общего увеличения количества топлива.

Рис.1-28. Зависимость индикаторного КПД (ηi ) от степени сжатия (ε)

Благодаря этому, а также вследствие того, что с обогащением смеси увеличивается скорость сгорания, индикаторная работа Li, почти не изменяется. Таким образом, мы видим, что по мере обогащения смеси, с одной стороны, непрерывно увеличивается количество тепла, внесенного в двигатель топливом, а с другой, почти не меняется величина развиваемой двигателем индикаторной работы. Отсюда следует, что индикаторный КПД с обогащением смеси должен уменьшаться.

При обеднений смеси индикаторный КПД сначала несколько возрастает. Однако уже при значениях α=1,05÷1,15 он достигает наибольшего значения и затем резко падает. Объясняется то тем, что при дальнейшем обеднении смеси резко снижается скорость ее сгорания, что приводит сначала к уменьшению индикаторной работы, а затем к пропускам в зажигании и неустойчивой работе двигателя.

Зависимость индикаторного КПД от коэффициента избытка воздуха для всех двигателей легкого топлива с принудительным зажиганием практически одинакова и на основании опытных данных может быть представлена графиком, приведенным на рис.2-2.

На этом же графике пунктирной линией показано процентное изменение среднего индикаторного давления двигателя p_i в зависимости от коэффициента избытка воздуха. Точно так же будет изменяться и индикаторная мощность, развиваемая двигателем при постоянном числе оборотов.

Рис. 1-29. Процентное изменение η_i и p_i, в зависимости от α

Источник