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

Q = C_u ⋅ H_h

При этом индикаторная работа может быть определена по формуле Li = Ni ⋅τ,

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 ~ 1,10 и ~ 1,57 раза.

Индикаторный КПД является величиной, определяющей собой основное свойство рабочего процесса двигателя — степень использования тепла, внесенного топливом. Поэтому необходимо несколько подробнее рассмотреть, какой может быть величина η_i, а также от чего зависит ηi. Прежде всего, отметим, что индикаторный к. п. д. практически не зависит от рода топлива, на котором работает двигатель. Объясняется это тем, что какова бы ни была теплотворность топлива, количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг топливовоздушной смеси, практически одинаково для всех топлив. Поэтому на каком бы топливе ни работал двигатель, если коэффициент избытка воздуха α остается постоянным, то Постоянными остаются давления и температуры рабочего процесса цикла, а следовательно, и получаемая работа и индикаторный КПД.

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 ( η i) 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