9.7 Мощность и кпд двс.

Оценкой совершенства осуществляемого в тепловом двигате­ле процесса служат его индикаторные показатели, а суммарной оценкой, учитывающей и механическое совершенст­во конструкции двигателя, - эффективные показатели.

К индикаторным показателям относятся среднее индикаторное давление, индикаторная мощность и индикаторный КПД.

Индикаторная работа, совершаемая в одном цилиндре за один цикл,

.

Индикаторная мощность двигателя с несколькими ци­линдрами

,

где – частота вращения вала, об/с; – число цилиндров; –коэффициент тактности (дня четырехтактного двигателя =2, для двухтактного = 1).

Внутренний (индикаторный) КПД есть доля подве­денной теплоты превращенная в индикаторную работу,

,

где В - расход топлива, кг/с; - низшая теплота сгорания, Дж/кг. Внутренний КПД для карбю­раторных двигателей =0,25+0,40; для дизельных =0,40+0,53.

К эффективным показателям относятся эффектив­ная мощность, эффективный и механический КПД и удельный эффективный расход топлива.

Эффективная мощность ( ) – это мощность на валу двигателя; она меньше индикаторной мощности на значение механических потерь в узлах трения двигателя, а также мощ­ности, расходуемой на привод вспомогательных механизмов и агрегатов.

Указанные затраты мощности и механические потери оцени­ваются механическим КПД

и составляют 8-30% индикаторной мощности, =0,7 – 0,92.

Эффективный КПД есть доля подведенной к двигателю теплоты, превращенной в эффективную мощность,

.

Эффективный и индикаторный КПД связаны между собой соотношением

.

Эффективный КПД для карбюраторных двигателей = 0,22 – 0,30, а для дизельных =0,30 – 0,42.

Удельный эффективный расход топлива – это расход топлива, приходящийся на единицу эффективной мощности двигателя:

.

Для разных типов двигателей = 162 – 330 ), причем наименьшие показатели имеют четырехтактные дизели.

Контрольные вопросы.

1. Как классифицируются ДВС?

2. Объясните принцип работы четырехтактного двигателя.

3. Объясните принцип работы двухтактного двигателя.

4. Какое смесеобразование применяется в карбюраторных ДВС?

5. Что такое дизельный двигатель?

6. Назовите основные преимущества теплоэнергетических установок с двигате­лями внутреннего сгорания.

7. Назовите недостатки ДВС.

8. В чем состоит отличие четырех- и двухтактных ДВС?

9. Отличие внешнего и внутреннего смесеобразования.

10 Тепловые двигатели нетрадиционных конструкций.

10.1 Роторно-поршневой двигатель Ванкеля.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем.

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (рис 10.1).

Рис 10.1 Роторно-поршневой двигатель в разрезе.

Преимущества перед обычными ДВС:

• низкий уровень вибраций – РПД полностью механически уравновешен,

• главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики,

• высокая удельная мощность,

• меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры,

• меньшее на 35—40 % число деталей.

Эти преимущества обусловлены следующими причинами: масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны.

Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла.

Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.

Важной проблемой РПД является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС.

Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.

Высокие требования к исполнению деталей двигателя делают его сложным в производстве.

Рис. 10.2 Схема работы роторно-поршневого двигателя.

Принцип работы РПД (Рис. 10.2):

Подача. Первая фаза начинается тогда, когда вершина ротора находится на уровне отсека подачи. В момент когда камера подачи открыта для основного отсека, объем этой камеры близок к минимуму. Как только ротор проходит мимо камеры подачи, объем камеры расширяется и вливает воздух/топливо в основной отсек. Как только ротор проходит камеру подачи, отсек становится полностью изолированным и начинается компрессия.

Сжатие. В то время как ротор продолжает свое движение по основному отсеку, пространство в отсеке становится меньше, смесь из воздуха/топлива сжимается. Как только ротор проходит отсек со свечами зажигания, объем камеры снова сводится к минимуму. В это время происходит возгорание смеси.

Возгорание. Как только свечи воспламеняет топливно-воздушную смесь, давление в отсеке сильно увеличится, приводя ротор в движение. Давление в камере возгорания продолжает расти, заставляя ротор двигаться, а отсек расти в объеме. Газы от возгорания продолжают расширяться, перемещая ротор и создавая мощность, до того момента, пока ротор не пройдет выхлопной отсек.

Выхлоп. После того, как ротор проходит выхлопной отсек, высокое давление газа сгорания свободно выходит в выхлопную трубу. Так как ротор продолжает движение, камера начинает сжиматься, выдавливая оставшиеся выхлопные газы в свободный отсек. К тому времени объем камеры опять падает к минимуму и цикл начинается сначала.