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< а <1,15). У дизелей экономический состав топлива соответствует 2,5< а <3,5, а диапазон средних нагрузок при максимальном значении η _i более широк и составляет 25—45 % максимальной нагрузки.

6. Тип камеры сгорания. В случае разделенных камер сгорания индикаторный КПД становится несколько меньше, так как возрастают тепловые и газодинамические потери, однако дизели с такими камерами сгорания имеют меньший период задержки воспламенения, работают бездымно с допустимой токсичностью при меньших значениях а, чем дизели с однополостными камерами сгорания. Поэтому, несмотря на меньшую величину η _i, среднее индикаторное давление двигателей с разделенными камерами сгорания не уступает среднему индикаторному давлению двигателей с неразделенной камерой сгорания.

7. Степень сжатия влияет на индикаторный КПД так же, как и на термодинамический КПД, поэтому при проектировании двигателей стремятся к увеличению степени сжатия. Однако у карбюраторных двигателей увеличение степени сжатия ограничено детонацией. У дизелей индикаторный КПД при увеличении степени сжатия более тех значений, которые обычно используются, будет меняться незначительно.

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

Двигатели	p, МПа	η i	g i, г/(кВт•ч)
Четырехтактные с искровым зажиганием без наддува	0,9-1,2	0,3-0,4	273-205
Четырехтактные дизели без наддува	0,75-1,05	0,42-0,5	202-170
Четырехтактные дизели с наддувом	До 2,5	0,42-0,5	202-170
Двухтактные дизели без наддува	0,5-0,7	0,4-0,47	212-180
Двухтактные дизели с наддувом	До1,5	0,4-0,47	212-180