Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Мощность и КПД дизеля

Мощность и КПД дизеля

Мощность дизеля можно определить по индикаторной диаграмме.

Предполагая, что рабочие циклы в многоцилиндровых двигателях протекают примерно одинаково и только смещены на угол (фазу) сдвига кривошипов коленчатого вала, можно считать, что мощность, развиваемая в отдельных цилиндрах, тоже одинакова, а мощность дизеля в целом равна сумме мощностей всех цилиндров.

Выражение для подсчета индикаторной мощности двигателя можно получить, вычислив работу Ь, выполненную газами в одном цилиндре за полный цикл:

Где Р1ср — среднее индикаторное давление, Н/м2 или Па; — площадь поршня, м2; £ — ход поршня, м. Площадь поршня определяется по формуле кИ2

где Б — диаметр поршня, м.

Среднее индикаторное давление получают в результате замены площади индикаторной диаграммы равновеликим прямоугольником, у которого ордината называется среднеиндикаторным давлением.

Тогда работа, выполненная во всех цилиндрах дизеля за 1 мин:

где п — частота вращения коленчатого вала, об/мин; 1 — число цилиндров дизеля; т — тактность дизеля (т = 2 — для двухтактного и т = 4 — для четырехтактного двигателя).

Индикаторная мощность дизеля определяется по формуле где 103 — коэффициент для перевода мощности в киловатты.

Для получения индикаторной диаграммы применяют специальные приборы — индикаторы. В тихоходных ДВС (до 700 об/мин) используют механические индикаторы, а в быстроходных — электрические.

В зависимости от конструкции ДВС и его форсировки среднее индикаторное давление Р;, МПа, может меняться в широких пределах:

Четырехтактные двигатели ПД1М. 1,070

Индикаторная мощность, полученная за счет работы газов в цилиндре двигателя, при передаче на коленчатый вал расходуется на трение поршней, подшипников шатунно-поршневой группы, на привод газораспределительного механизма, топливные насосы высокого давления, водяные, масляные и топливные насосы и другие механизмы, без которых невозможна работа дизеля. Эти затраты работы называются механическими потерями Ьи, и соответствующая им мощность называется мощностью механических потерь Ыы. Аналогично индикаторной работе где Ри — среднее давление механических потерь.

Среднее эффективное давление Ре представляет собой условное постоянное давление, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает работу, равную эффективной работе за цикл или это эффективная работа Ье за цикл, отнесенная к рабочему объему цилиндра:

Эффективная мощность подсчитывается так же, как и индикаторная, но вместо среднего индикаторного давления Р, в формулу подставляется среднее эффективное давление Ре.

Отношение эффективной мощности к индикаторной называется механическим КПД:

Для современных дизелей т|м = 0,8 .0,88.

Отношение эффективной работы к количеству теплоты, подведенной с топливом, называется эффективным КПД-дизеля и обозначается ту

где qe — удельный эффективный расход топлива, г/(кВтч); QH — низшая теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг.

При оптимальной нагрузке дизеля ге = 0,39.0,43.

Эффективный, индикаторный и механический КПД связаны между собой соотношением Ге = Л.Лм-

Эффективность работы ДВС часто оценивают вместо КПД двигателя удельным расходом топлива qe, т.е. расходом топлива на единицу его полезной (эффективной) работы, выраженным в г/(кВт-ч) или г/(л.с.ч). Удельный расход топлива определяется экспериментально при испытаниях двигателя, где измеряется расход топлива G дизелем за единицу времени работы, кг/ч, с постоянной мощностью Ne, кВт или л. с. Тогда qe = G/Ne. Современные тепловозные дизели имеют qe на уровне 200.220 г/(кВтч), или 150. 180 г/(л.с.-ч).

Что такое индикаторный кпд двигателя

АНАЛИЗ ИНДИКАТОРНОГО КПД И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ДИЗЕЛЕЙ ТИПОРАЗМЕРА ЧН16,8/18,5 ПРИ ИХ ФОРСИРОВАНИИ ДО Р me =2,0 МПА

СВ. Лебедев, Д.Д. Матиевский

Развитие мощностных рядов многоцелевых дизельных двигателей и энергетических агрегатов на их базе составляет основу технической политики ведущих зарубежных и отечественных дизелестроительных фирм и предприятий. Составляющий основу унификации модульный принцип проектирования и производства моделей типоразмерного ряда содержит значительные резервы совершенствования качества, показателей технического уровня дизелей и снижения их эксплуатационных затрат. Единые принципы организации индикаторного процесса моделей дизелей типоразмерного ряда обеспечивают минимальные затраты при распространении положительного опыта совершенствования показателей дизелей одних групп на модели других назначений. Вместе с тем, реализация преимуществ выпуска унифицированной дизельной продукции существенно повышает требования к качеству проектных работ, в том числе их начальных этапов, на которых формируются технические параметры моделей типоразмера. Выбор основных конструктивных решений, показателей и принципов организации индикаторного процесса требуют подходов, обеспечивающих достижение прогрессивного уровня технико-экономических показателей для моделей различного назначения и уровня форсирования. Поэтому и в отношении одного из важнейших технико-экономических показателей — топливной экономичности целесообразно комплексное использование экспериментальных методов и расчетного анализа индикаторного процесса, дающего возможность оценить степень совершенства и пути его улучшения. В материале статьи освещены результаты исследования индикаторного процесса высокооборотных дизелей типоразмера ЧН16,5/18,5 при их форсировании по среднему эффективному давлению до 1,8-4-2,0 МПа. Установлены закономерности взаимосвязи характеристики тепловыделения, являющейся комплексным критерием уровня совершенства индикаторного процесса, и индикаторного кпд h i с использованием метода профессора Д.Д. Матиевского [1, 2]. Положенный в основу метода дифференцированный анализ влияния на h i несвоевременности, неполноты сгорания топлива и потерь в стенки деталей КС позволил конкретизировать содержание конструкторско-технологического цикла работ по созданию форсированных дизелей типоразмера.

8ЧН16,5/18,5 (п=1500 мин» 1 ) по P me на
показатели тепловыделения в цилиндре

Рис. 1,б. Изменение показателей тепловыделения по формуле И.И. Вибе при форсировании дизеля 8ЧН16,5/18,5 ( n =1500 мин -1 ) по Р me: D,O,  j on =26,24,23° п.к.в. до ВМТ

Высокая конкурентоспособность выпускаемых на ОАО “Дизельпром” (г. Чебоксары) высокооборотных дизелей 6,-8ЧН16,5/18,5 мощностью 300 ¸ 600 кВт в сравнении с лучшими отечественными аналогами по топливной, масляной экономичности и ресурсным показателям, а со среднеоборотными моделями — по удельным массовым и габаритным показателям [3] обосновывает актуальность работ предприятия по расширению их мощностного диапазона до 800 ¸ 900 кВт. Последнее связано с форсированием дизелей типоразмера по среднему эффективному давлению до Р me =1,8 ¸ 2,0 МПа. Исследованиями напряженного и деформированного состояния деталей цилиндро-поршневой группы, кривошипно-шатунного механизма подтверждены запасы прочности, необходимые для надежной эксплуатации при перспективном форсировании [4]. Пути реализации эффективного индикаторного процесса при одноступенчатой системе наддува дизелей типоразмера решены на примере промышленной модели дизеля 8ЧН16,5/18,5 с уровнем Р me на режимах номинальной и полной (кратковременной мощности) при n =1500 мин -1 соответственно 1,77 и 1,97 МПа [5]. Исследование характеристики тепловыделения в относительной и абсолютной формах ее представления, полученной на основе экспериментальных индикаторных диаграмм, дало следующие результаты. Увеличение Р me сопровождается интенсивным снижением кинетической составляющей тепловыделения Х I в цилиндре дизеля с 0,25 при Р me =1,0 МПа до 0,08 ¸ 0,04 для диапазона Р me ³ 1,5 Мпа (рис. 1а). Для высокооборотных дизелей со средним уровнем форсирования по среднему эффективному давлению P me =1,1 ¸ 1,4 МПа именно начальная фаза тепловыделения, характеризующая динамику индикаторного процесса, формирует высокие показатели топливной экономичности [6]. Поэтому ее снижение по мере форсирования дизеля должно быть компенсировано повышением интенсивности последующих стадий тепловыделения. Однако интенсивность тепловыделения в основной фазе диффузионного сгорания ( dX II /d j ) max , определяющую уровень топливной экономичности индикаторного процесса, также характеризует устойчивая тенденция снижения с 0,045 до 0,03° п.к.в. -1 . Основная причина, как показывает выполненный анализ с использованием метода И.И. Вибе [7], связана с увеличением продолжительности сгорания. Условная продолжительность сгорания j z увеличилась с 75 до 105° п.к.в. соответственно при повышении Р me с 0,9 до 2,05 МПа (угол опережения подачи топлива j оп =23° п.к.в.). Формфактор сгорания m , возрастая в диапазоне средних нагрузок, для Р me >1,5 МПа стабилизируется при всех исследованных значениях фазы (угла) опережения подачи топлива (рис. 16). Автомодельный характер тепловыделения в цилиндре дизеля при повышении Р me сверх 1,4 МПа, как в отношении изменения нагрузочного режима, так и фазы опережения подачи топлива j оп подтверждают данные рис. 2, что хорошо согласуется с результатами исследований [8]. Единая для диапазона Р me =1,4+2,0 МПа зависимость характеристики абсолютного тепловыделения Q.=f( j ) наблюдается приблизительно до 18 ¸ 20° п.к.в. от момента начала видимого сгорания j нвг (рис. 2а).

Читать еще:  Двигатель ваз 1600 инжектор характеристики

Различия в протекании конечной фазы тепловыделения объясняются увеличением продолжительности сгорания увеличенных цикловых порций топлива по мере роста Р me . Установленная закономерность Q=f( j ) в диапазоне P me =1,4 ¸ 2,0 МПа сопровождается стабилизацией величины периода индукции воспламенения топлива, а также продолжительности периода от j нвг до достижения максимального давления сгорания ( j нвг — j Pmax ) » 16 ° п.к.в. В результате количество теплоты Qp max , выделяющейся к моменту достижения Р max на форсированных режимах работы дизеля, сохраняется неизменным. Как следствие, по мере увеличения Р mе значения λ снижаются, что и зафиксировано экспериментально. Характерно, что зависимость Q=f( j ) аналогично не претерпевает изменений в функции угла опережения подачи топлива j оп (рис. 26). Влияние изменения j оп , не нарушая закономерность Q=f( j ), выражается в фазовых смещениях характеристики тепловыделения. В графической интерпретации влияние формы Q=f( j ) на h i , согласно работам Б.С. Стечкина [9], И.В. Болдырева [10] связывается с изменением площади под кривой тепловыделения и расстоянием ее центра тяжести до ВМТ (а х ). Фазовое смещение характеристики Q=f( j ) при сохранении ее формы вызывает взаимосвязанное противоположное по характеру изменение λ и а х . Поэтому возможности совершенствования индикаторного процесса при штатной комплектации топливоподающей аппаратуры практически исчерпаны. Пути повышения η i для форсированных моделей ЧН16,5/18,5 связаны с изменением характера тепловыделения в цилиндре. Исследованиями К. Циннера [11], Н.Н. Иванченко, Б.Н. Семенова [12] и других ученых доказано, что при условии P max =const форма закона тепловыделения в цилиндре форсированного дизеля практически не влияет на индикаторные показатели. Превалирующим фактором воздействия на η i является продолжительность процесса выделения теплоты в цилиндре дизеля. Следовательно, совершенствование индикаторного процесса форсированных дизелей типоразмера ЧН 16,5/18,5 связано, главным образом, с мероприятиями по повышению интенсивности сгорания повышенных цикловых подач топлива в направлении сокращения φ z . Для подтверждения выводов качественного анализа с использованием методического подхода Д.Д. Матиевского [1, 2] выполнены количественные оценки взаимосвязи η i и Χ=f( j ). Связь индикаторного КПД цикла дизеля с интегральными и дифференциальными характеристиками тепловыделения, отвода теплоты и местом из развития в цикле выражено в форме зависимости

h i =1-ΔΧ нп — d э — d нс — d w . (1)

Соответственно, ΔΧ нп выражает коэффициент неполноты ввода теплоты; d э , d нс , — d w , — коэффициенты неиспользования теплоты в эталонном цикле от несвоевременности ввода и по причине отвода теплоты:

Рис. 3 Взаимосвязь характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля 8ЧН16,5/18,5 с динамикой формирования h i по методу Д. Д. Матиевского
X, D ,O Р me =2,06; 1,83; 1,70; 1,43 МПа( n= 15 00 мин -1

За эталонный цикл принят цикл с мгновенным выделением теплоты 1-ΔΧ нп в ВМТ при e n = e o = e max . Изменяя предел суммирования коэффициентов в выражении (2), осуществляется расчет динамики формирования h in =f(φ) во времени развития цикла. Как свидетельствуют полученные результаты, для дизеля ЧН16,5/18,5 (рис. 3) формирование интегрального значения η i практически заканчивается к 50° п.к.в. после ВМТ, что с приемлемой для практики достоверностью позволяет ограничить анализ рассмотрением указанного диапазона развития индикаторного процесса. Сопоставление зависимостей h i =f(φ) и X=f( j ) в исследованном диапазоне Р me свидетельствует о наличии между ними устойчивой корреляции. Снижение h i , с 0,455 до 0,42 по мере форсирования дизеля пропорционально уменьшению X с 0,92 до 0,86. На данном основании при анализе статей преобразования теплоты в цикле дизеля целесообразно исключить влияние различий в долях теплоты, выделяющихся к моменту φ=50° п.к.в. после ВМТ. Результаты расчета по зависимости (1),

Рис. 4. Динамика баланса преобразования теплоты в цилиндре дизеля 8ЧН16,5 /18, 5 по методу Д, Д. Магиевского:
X, D ,O Р me =2,06; 1,83; 1,70; 1,43 МПа( n = 1500 мин -1 )
______________ e -13,5______________ e -13,5
_______________ e =17,3

преобразованной к виду

h i /(1 –ΔΧ нп )=1 — d э /(1 — ΔΧ нп )- d нс /(1 — ΔΧ нп )- d w /(1- ΔΧ нп ) (3)

показывают, что соотношение статей баланса не претерпевает изменений при увеличении Р me (рис. 4). Следовательно, уменьшение h i , с ростом Р me объясняется снижением общей доли выделяющейся в цикле теплоты к характерному моменту цикла. Для сохранения топливной экономичности дизеля на форсированных режимах необходимо сократить продолжительность процесса тепловыделения, повысив его интенсивность. При этом дополнительный эффект повышения h i дает реализация низкой динамики индикаторного процесса. Снижение степени повышения давления при сгорании топлива λ при ограничении P max позволяет повысить e , тем самым снизив наиболее значительную составляющую потерь теплоты в эталонном цикле d э . При увеличении e с 13,5 ед. до 15 и 17,8 ед. величина d э снижется соответственно с 0,35 до 0,30 и 0,24.

Одним из наиболее эффективных методов воздействия на Q=f( j ) является повышение давления впрыскивания топлива в цилиндр Р впр . Сопутствующее ему повышение интенсивности тепловыделения сокращает продолжительность сгорания, повышает динамику индикаторного процесса и h i . Смещение j нвг κ ΒΜΤ в сочетании с оптимизацией конструктивных и регулировочных параметров топливной форсунки позволяет улучшить h i , не расширяя диапазона ограничения по Р max . На практике часто используется компромиссная реализация одновременного частичного снижения удельного эффективного расхода топлива b е и улучшения показателей эмиссии ΝΟ x в ОГ дизелей. Применительно к форсированным дизелеям типоразмера ЧН16,51/18,5 данный метод позволяет улучшить b е на 4 г/(кВт-ч) при одновременном -35% снижении с 11,6 до 7,4 г/(кВтч). При этом впрыск топлива в цилиндр дизеля осуществляется за 4° п.к.в. до ВМТ, а начало видимого сгорания смещается на отметку 1,5° п.к.в. после ВМТ. В результате, для объектовых условий работы дизеля 8ЧН16,5/18,5 (сопротивление на входе воздуха в компрессор ΔΗ ΒΠ =3 кПа, сопротивление на выход газов из турбины D H ВЫП =8 кПа), форсированного до Р me =1,8 ¸ 2 ,0 МПа при ограничении Р max =13 МПа, достигнут удельный эффективный расход топлива 212 г/(кВтч). Приведенный по ISO/I b e составил 205 г/(кВтч) при уровне удельных выбросов окислов азота =7,5 г/(кВт × ч). Результаты выполненного комплексного экспериментально-расчетного исследования явились обоснованием для последующего решения принципиальных вопросов расширения мощностного ряда дизелей типоразмера ЧН16,5/18,5 до Р me =1,8 ¸ 2,0 МПа с сохранением высоких показателей экономичности индикаторного процесса и ограничения эмиссии ΝΟ x в ОГ. Реализованный подход к исследованию параметров индикаторного процесса дизелей типоразмера позволил обосновать резервы и пути дальнейшего комплексного совершенствования показателей дизелей типоразмера.

Читать еще:  Что такое диафрагма двигателя

  1. Матиевский Д.Д. Использования уравнения связи индикаторного КПД с характеристиками подвода и отвода тепла при анализе и синтезе индикаторной диаграммы //Двигателестроение. — 1979.- № 11.- С. 12-14.
  2. Матиевский Д.Д. Метод анализа индикаторного КПД рабочего цикла дизеля // Двигателестроение. -1984.- № 6.- С. 7-11.
  3. Лебедев С.В., Нечаев Л.В. Совершенствование показателей высокооборотных дизелей унифицированного типоразмера / Академия транспорта РФ, АлтГТУ им. И. И. Ползунова. — Барнаул: Изд.-во АлтГТУ, 1999. — 112 с.
  4. Лебедев С.В., Родин А.Ф. Оценка запасов прочности при форсировании дизелей 6-8ЧН16,5/18,5 // Двигателестроение. — 1998.- № 3- С. 15-21.
  5. Лебедев СВ. Совершенствование показателей индикаторного процесса дизелей ЧН116,5/18,5 при форсировании до Р me = 1,8 ¸ 2,0 МПа // Двигателестроение. -1999.-№ 4.
  6. Портнов Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия. — М.: Машиностроение, 1963. — 638 с.
  7. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. — Свердловск: Машгиз, 1962. -272 с.
  8. Соколов С.С, Власов Л.И. Ограничения пределов повышения р е у четырехтактного дизеля с наддувом, налагаемые процессами смесеобразования и сгорания // Труды ЦНИДИ.- 1977.- Вып. 72.-С. 49-53.
  9. Стечкин Б.С. О коэффициенте полезного действия идеального цикла быстрого сгорания при конечной скорости выделения тепла // Теория, конструкция, расчет и испытания двигателей внутреннего сгорания. — Труды лаборатории двигателей АН СССР. — М.: АН СССР- 1960.- Вып. 5.- С. 61-67.
  10. Болдырев И.В., Смирнова Т.Н. Влияние формы закона сгорания на индикаторные показатели цикла // Двигателестроение. -1981,- №1.- С. 13-15.
  11. Zinner К. Einige Ergebniss realer Keisprozessrechnungen uber die Beeinflussungsmoglichkeiten des Wirkungsgrades von Dieselmotoren // MTZ.-1970.- Bd.31.- Hi 6.- S. 243-246.
  12. Семенов Б. Η., Иванченко Η.Η. Задачи повышения топливной экономичности дизелей и пути их решения // Двигателестроение. — 1990.-№11.- С. 3-7.

Вопрос 3. Основные показатели работы ДВС: КПД и мощность.

Ответ

Работа, совершаемая газами во всех цилиндрах за единицу вре­мени, называется индикаторной мощностью двигателя Ni .

При выводе формулы мощности Ni приняты следующие обозначе­ния: D —диаметр цилиндра, м; S — ход поршня, м; Vs — рабочий объем цилиндра, м 3 ; pi—среднее индикаторное давление; п — частота вращения, об/мин; Z — число цилиндров; i — kZ — число рабочих ходов за один оборот во всех цилиндрах, где k — коэффи­циент тактности (для четырехтактных двигателей k = 1/2, для двух­тактных простого действия k = 1).

Согласно определению среднего индикаторного давления работа, совершаемая газами в цилиндре за один_цикл, Дж/цикл, (один рабо­чий ход поршня),

L = Pi *( p D 2 /4) S

Индикаторная работа всего двигателя в минуту, Дж/мин,

L = Pi*( p D 2 /4)Sni

Разделив минутную работу на 60, получим индикаторную мощ­ность, Вт

Ni = ( pi p D 2 Sni )/4*60

Выражение pD 2 S/4 представляет собой рабочий объем цилиндра Vs ; тогда для двухтактного двигателя

для четырехтактного двигателя

Если выражение Sn /ЗО заменим на среднюю скорость поршня ст = Sn/ЗО, то получим обобщенную формулу индикаторной мощ­ности для любого типа двигателей, Вт,

Индикаторный КПД. В реальном двигателе, помимо неизбежной отдачи тепла хо­лодному источнику (потеря тепла с выпускными газами), име­ются потери, обусловленные наличием теплообмена между рабо^ чим телом и стенками цилиндра, потери, вызванные неполным сгоранием топлива и недостаточно высокой скоростью его сго­рания.

Коэффициент полезного действия, учитывающий всю сумму потерь тепла при осуществлении рабочего цикла, называется индикаторным КПД.

Таким образом, индикаторный КПД оценивает степень ис­пользования тепла в цилиндре реального двигателя и может быть представлен в виде отношения тепла, эквивалентного индикатор­ной работе газов, 632 Ni ко всему подведенному теплу:

где 632 — термический эквивалент 1 л. с.-ч, ккал;

G ч часовой расход топлива на двигатель, кг/ч.

Увеличение относительной доли потерь тепла в стенки и с вы­пускными газами, увеличение неполноты сгорания топлива отри­цательно сказывается на индикаторном КПД и, следовательно, на величине развиваемой двигателем мощности Ni (при сохране­нии Gч—idem). Качество сгорания топлива, скорость и полнота реакции сгорания в большой степени зависят ог величины коэф­фициента избытка воздуха а, что, в свою очередь, определяет его влияние на индикаторный КПД. С увеличением а индикаторный КПД, как правило, растет.

Механический КПД. Коэффициент, учитывающей все механи­ческие потери в двигателе, носит название механического коэффициента полезного действия; принимается равным отношению эффективной мощности двигателя к индика­торной мощности:

Если мощность, затрачиваемую на механические потери, обозначить через N мех , то тогда эффективную мощность, можнопредставить как разность между индикаторной (внутренней) мощностью и мощностью механических потерь:

Мощность механических потерь N мех состоит из следующих составных частей:

где N тр — мощность, затрачиваемая на трение в движущихся дета­лях, зависящая от скорости относительного перемещения, удельных давлений, вязкости масла, качества изготовле­ния и монтажа деталей и пр. В тронковых двигателях основной составляющей работы трения является трение колец и поршня (55—65%);

N нас— мощность, затрачиваемая на процесс газообмена в четы­рехтактных двигателях, при наддуве может превратиться в добавочную полезную работу;

N всп — мощность, затрачиваемая на привод навешенных на дви­гатель механизмов и насосов (1,5—3%);

NK — мощность, затрачиваемая на привод продувочного насоса или навешенного на двигатель наддувочного агрегата, включая и подпоршневые полости.

Большие значения h мех относятся к двигателям с газотурбин­ным наддувом и высокими ре.

Величина h мех необходима для пересчета индикаторных пока­зателей в эффективные. Определить h мех с достаточной степенью достоверности непосредственно в судовых условиях довольно сложно, и поэтому в практике эксплуатации обычно пользуются опытными данными, которые заимствуют из материалов завод­ских стендовых испытаний двигателя. При этом необходимо учи­тывать, что h мех есть функция относительных механических по­терь двигателя N м ex / Ni и поэтому зависит не только от мощности, необходимой для преодоления механических потерь N мех , которую можно считать более или менее постоянной и мало меняющейся с течением времени эксплуатации двигателя, но и от индикатор­ной мощности Ni .

Эффективный КПД. Коэффициент полезного действия, учи­тывающий все потери в двигателе, включая и механические, на­зывается эффективным КПД.

По аналогии с h i эффек­тивный КПД может быть также представлен в виде отношения тепла, эквивалентного эффективной работе двигателя, 632 Ne ко всему подведенному теплу:

Таким образом, эффективный КПД двигателя зависит от ин­дикаторного КПД, характеризующего экономичность рабочего процесса, и механического КПД, оценивающего механические по­тери.

Коэффициент полезного действия (КПД) — формулы и расчеты

Трактовка понятия

Электродвигатель и другие механизмы выполняют определённую работу, которая называется полезной. Устройство, функционируя, частично растрачивает энергию. Для определения эффективности работы применяется формула ɳ= А1/А2×100%, где:

  • А1 — полезная работу, которую выполняет машина либо мотор;
  • А2 — общий цикл работы;
  • η — обозначение КПД.

Показатель измеряется в процентах. Для нахождения коэффициента в математике используется следующая формула: η= А/Q, где А — энергия либо полезная работа, а Q — затраченная энергия. Чтобы выразить значение в процентах, КПД умножается на 100%. Действие не несёт содержательного смысла, так как 100% = 1. Для источника тока КПД меньше единицы.

В старших классах ученики решают задачи, в которых нужно найти КПД тепловых двигателей. Понятие трактуется следующим образом: отношение выполненной работы силового агрегата к энергии, полученной от нагревателя. Расчет производится по следующей формуле: η= (Q1-Q2)/Q1, где:

  • Q1 — теплота, полученная от нагревательного элемента;
  • Q2 — теплота, отданная холодильной установке.

Максимальное значение показателя характерно для циклической машины. Она оперирует при заданных температурах нагревательного элемента (Т1) и холодильника (Т2). Измерение осуществляется по формуле: η= (Т1-Т2)/Т1. Чтобы узнать КПД котла, который функционирует на органическом топливе, используется низшая теплота сгорания.

Плюс теплового насоса как нагревательного прибора заключается в возможности получать больше энергии, чем он может затратить на функционирование. Показатель трансформации вычисляется путём деления тепла конденсации на работу, затрачиваемую на выполнение данного процесса.

Мощность разных устройств

По статистике, во время работы прибора теряется до 25% энергии. При функционировании двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает частично. Небольшой процент вылетает в выхлопную трубу. При запуске бензиновый мотор греет себя и составные элементы. На потерю уходит до 35% от общей мощности.

При движении механизмов происходит трение. Для его ослабления используется смазка. Но она неспособна полностью устранить явление, поэтому затрачивается до 20% энергии. Пример на автомобиле: если расход составляет 10 литров топлива на 100 км, на движение потребуется 2 л, а остаток, равный 8 л — потеря.

Если сравнивать КПД бензинового и дизельного моторов, полезная мощность первого механизма равна 25%, а второго — 40%. Агрегаты схожи между собой, но у них разные виды смесеобразования:

  1. Поршни бензинового мотора функционируют на высоких температурах, поэтому нуждаются в хорошем охлаждении. Тепло, которое могло бы перейти в механическую энергию, тратится впустую, что способствует снижению КПД.
  2. В цепи дизельного устройства топливо воспламеняется в процессе сжатия. На основе данного фактора можно сделать вывод, что давление в цилиндрах высокое, при этом мотор экологичнее и меньше первого аналога. Если проверить КПД при низком функционировании и большом объёме, результат превысит 50%.

Асинхронные механизмы

Расшифровка термина «асинхронность» — несовпадение по времени. Понятие используется во многих современных машинах, которые являются электрическими и способны преобразовывать соответствующую энергию в механическую. Плюсы устройств:

  • простое изготовление;
  • низкая цена;
  • надёжность;
  • незначительные эксплуатационные затраты.

Чтобы рассчитать КПД, используется уравнение η = P2 / P1. Для расчёта Р1 и Р2 применяются общие данные потери энергии в обмотках мотора. У большинства агрегатов показатель находится в пределах 80−90%. Для быстрого расчёта используется онлайн-ресурс либо личный калькулятор. Для проверки возможного КПД у мотора внешнего сгорания, который функционирует от разных источников тепла, используется силовой агрегат Стирлинга. Он представлен в виде тепловой машины с рабочим телом в виде жидкости либо газа. Вещество движется по замкнутому объёму.

Принцип его функционирования основан на постепенном нагреве и охлаждении объекта за счёт извлечения энергии из давления. Подобный механизм применяется на косметическом аппарате и современной подводной лодке. Его работоспособность наблюдается при любой температуре. Он не нуждается в дополнительной системе для запуска. Его КПД возможно расширить до 70%, в отличие от стандартного мотора.

Значения показателя

В 1824 году инженер Карно дал определение КПД идеального двигателя, когда коэффициент равен 100%. Для трактовки понятия была создана специальная машина со следующей формулой: η=(T1 — Т2)/ T1. Для расчёта максимального показателя применяется уравнение КПД макс = (T1-T2)/T1x100%. В двух примерах T1 указывает на температуру нагревателя, а T2 — температуру холодильника.

На практике для достижения 100% коэффициента потребуется приравнять температуру охладителя к нулю. Подобное явление невозможно, так как T1 выше температуры воздуха. Процедура повышения КПД источника тока либо силового агрегата считается важной технической задачей. Теоретически проблема решается путём снижения трения элементов двигателя и уменьшения теплопотери. В дизельном моторе подобное достигается турбонаддувом. В таком случае КПД возрастает до 50%.

Мощность стандартного двигателя увеличивается следующими способами:

  • подключение к системе многоцилиндрового агрегата;
  • применение специального топлива;
  • замена некоторых деталей;
  • перенос места сжигания бензина.

КПД зависит от типа и конструкции мотора. Современные учёные утверждают, что будущее за электродвигателями. На практике работа, которую совершает любое устройство, превышает полезную, так как определённая её часть выполняется против трения. Если используется подвижный блок, совершается дополнительная работа: поднимается блок с верёвкой, преодолеваются силы трения в блоке.

Решение примеров

Задача 1. Поезд на скорости 54 км/ч развивает мощность 720 кВт. Нужно вычислить силу тяги силовых агрегатов. Решение: чтобы найти мощность, используется формула N=F x v. Если перевести скорость в единицу СИ, получится 15 м/с. Подставив данные в уравнение, определяется, что F равно 48 kН.

Задача 2. Масса транспортного средства соответствует 2200 кг. Машина, поднимаясь в гору под уклоном в 0,018, проходит расстояние 100 м. Скорость развивается до 32,4 км/ч, а коэффициент трения соответствует 0,04. Нужно определить среднюю мощность авто при движении. Решение: вычисляется средняя скорость — v/2. Чтобы определить силу тяги мотора, выполняется рисунок, на котором отображаются силы, воздействующие на машину:

  • тяжесть — mg;
  • реакция опоры — N;
  • трение — Ftr;
  • тяга — F.

Первая величина вычисляется по второму закону Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для ускорения используется уравнение a=v2/2S. Если подставить последние значение и воспользоваться cos, получится средняя мощность. Так как ускорение считается постоянной величиной и равно 9,8 м/с2, поэтому v= 9 м/с. Подставив данные в первую формулу, получится: N= 9,5 kBt.

При решении сложных задач по физике рекомендуется проверить соответствие предоставленных в условиях единиц измерения с международными стандартами. Если они отличаются, необходимости перевести данные с учётом СИ.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector