МОЩНОСТЬ ДИЗЕЛЯ

СРЕДНЕЕ   ИНДИКАТОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Во время перемещения поршня давление газов в цилиндре изменяется. Сила давления газов на поршень в связи с этим также является величиной переменной. Работа, как мы знаем, равна произведению силы да путь (перемещение). Таким образом, работа газов за рабочий цикл может быть подсчитана как сумма произведений давления в цилиндре на каждом маленьком участке (где это давление можно принять постоянным) на перемещение поршня на этом участке. Эта сумма соответствует площади индикаторной диаграммы. Таким образом, площадь диаграммы, очерченная линией 3—4—5—3 (см. рис. 25), выражает полезную работу газов, которую они совершают в цилиндре за один рабочий цикл. Однако оценивать работу цикла по площади индикаторной диаграммы во многих случаях неудобно. Поэтому введено понятие среднего индикаторного давления. Условно приняли, что величина этого давления не изменяется, т. е. является постоянной   (рис.  29)   в  течение ходапоршня.

Рис. 29. Определение среднего индикаторного давления

Тогда графически среднее индикаторное давление представляет собой высоту заштрихованного прямоугольника, площадь которого равна площади индикаторной диаграммы, а основание равно длине диаграммы. Средним индикаторным давлением называют условное, постоянное по величине давление, при котором работа за один цикл равна работе газов в цилиндре. В тепловозных дизелях среднее индикаторное давление pi находится в пределах 0,58—1,76 МПа (6—18 кгс/см2). Прежде чем перейти к подсчету работы и мощности дизеля, выясним, что такое энергия.

ПОНЯТИЕ    ОБ   ЭНЕРГИИ

Слово энергия происходит от греческого    слова    energia,  что значит действие,  деятельность. Различают энергию  кинетическую  и  потенциальную. Кинетической   энергией   обладает любое движущееся тело: поезд, вода,   ветер,   пуля.   Потенциальной,   или скрытой, энергией обладает тело,  находящееся  на  высоте.  Поднимем,  например, боек молота на некоторую высоту и будем удерживать его в этом положении   посторонней  силой. На поднятие бойка нам  пришлось затратить работу,  которую  нетрудно  подсчитать, если его массу умножить на высоту подъема. Пока боек поднят, он обладает запасом потенциальной энергии,   накопленной по мере того, как его  поднимали. Если  теперь отпустить боек, то во время падения потенциальная  энергия   переходит   в кинетическую    (энергию     движения). Исчезнуть энергия не  может:    она только переходит из одного вида в другой. Это утверждение основано на известном законе сохранения энергии. На первый взгляд кажется, что когда, например, катящийся с горки вагон останавливается, то запас его кинетической энергии куда-то «исчезает». На самом деле кинетическая энергия переходит в тепловую при трении деталей тормозных устройств. Мы не замечаем этого потому, что нагревание окружающей среды незначительно. Зато мы можем увидеть покраснение тормозных колодок при резком торможении поезда.
Каждый вид энергии может переходить в другой, причем определенное количество «исчезнувшей» энергии одного вида даст эквивалентное (равноценное) ему количество энергии другого вида. Иными словами, каждая единица теплоты может дать строго определенное количество работы, и, наоборот, каждая единица работы может дать определенное количество теплоты.
При работе двигателя внутреннего сгорания каждый килограмм жидкого топлива при сгорании выделяет определенное количество теплоты. Тепловой эффект любого вида топлива, в частности дизельного, характеризуется теплотой сгорания, т. е. тем количеством теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг данного топлива.
Чем же измеряется теплота сгорания топлива? Количество теплоты измеряют в джоулях подобно тому, как сила измеряется в ньютонах, а длина — в метрах. Установлено, что 1 кг дизельного топлива при полном сгорании   способен     выделить     тепла     до 42 500 кДж (10 151 ккал). Сходство между теплотой и работой в том, что они подобны. Это вытекает из одного из основных законов термодинамики— науке о превращении теплоты и работы друг в друга.

ПОДСЧЕТ РАБОТЫ И МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЯ

Работа поршня определяется произведением силы, действующей на поршень, на пройденный путь. Перемещения поршня ограничиваются его крайними положениями. Как упоминалось выше, ход поршня и диаметр цилиндра — величины, весьма важные для дизеля. Если площадь поршня умножить на среднее индикаторное давление, то получим среднюю силу, приложенную к поршню. Если теперь эту силу умножить на расстояние, проходимое поршнем от верхней до нижней мертвой точки, то найдем работу, которую совершают газы, действующие на поршень, за один ход в одном цилиндре.
Поясним это примером. Пусть среднее индикаторное давление равно 0,98 МПа (10 кгс/см2), а площадь поршня 0,08 м2 (800 см2). Тогда сила, действующая на поршень такого дизеля, составит 0,98 X 0,08 = 78,4 кН = 78 400 Н (или 800X10 = 8000 кгс).
Пусть ход поршня равен 330 мм, или 0,33 м (дизели типа Д50). Работа, которую произведет газ при движении поршня из верхней мертвой точки к нижней, будет равна произведению силы на величину перемещения, т. е. на ход поршня: 78400X0,33 = 25 872 Н-м (или  8000X0,33 = 2640 кгс-м).
Мы подсчитали работу, которую совершает газ в одном цилиндре за один рабочий ход поршня. В четырехтактном дизеле рабочий ход происходит в течение двух полных оборотов коленчатого вала. Значит, за один оборот вала в среднем совершается работа в два раза меньше, т. е.
25 872:2 = 12936Н-м, или 2640:2=1320 кгс-м.
Теперь подсчитаем мощность дизеля. Предположим, что коленчатый вал делает в минуту 750 оборотов, или 750X60 = 45 000 об/ч. Так как работа газа за один оборот вала составляет в нашем случае 12 936 Н-м, то, следовательно, за 1 ч она будет равна
12 936X45 000 = 582120 000 Н-м (т. е. 582 120 000 Дж, так как Н-м = Дж), или 1320Х X45000 = 59 400 000 кгс-м.
Мощностью называется работа, выполненная в единицу времени (в секунду). Если за 1 с будет совершена работа в 736 Н-м (75 кгс-м), то эту мощность условно называют одной лошадиной силой (0,736 кВт, или 736 Вт = 75 кгс -м/с). Значит, работа, выполненная при мощности 736 Вт (1 л. с.) за 1 ч, будет равна 736X Х3600 = 2 649 600 Н-м (= Дж), или 75X3600 = 270 000 кгс-м.
Следовательно, индикаторная мощность в киловаттах одноцилиндрового двигателя определится, если работу в джоулях за 1 ч разделить на 3600 с: 582 120 000 : 3600 = 162 кВт, а в лошадиных силах, если величину часовой работы 59 400 000 кгс-м разделить на 270 000, т. е. 59 400 000:270 000 = 220 л. с.
Однако полезная, или эффективная, мощность, измеряемая (реализуемая)   на    коленчатом    валу,     будет меньше индикаторной, так как часть мощности расходуется на преодоление сопротивлений в трущихся частях шатунно-кривошипного механизма и на привод вспомогательных механизмов  (насосы, воздуходувка и др.).
Величина этих потерь зависит от величины зазоров, качества обработки деталей, температуры и вязкости масла и в среднем для номинального режима работы может быть принята равной около 20%. Тогда для нашего случая эффективная мощность для одного цилиндра равна 162 X 0,8 = 130 кВт, пли 220X0,8= 176 л. с, а для шести цилиндров дизеля в 6 раз больше, т. е. 780 кВт, или 1056 л. с. Мощность современных тепловозных дизелей достигает 2210, 4400 кВт (3000, 6000 л. с.) в одном агрегате.

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЯ

Непрерывное увеличение мощности тепловозных дизелей — одно из важнейших направлений развития тепловозостроения как в нашей стране, так и за рубежом. Однако решение этой задачи значительно осложняется тем, что тепловоз является транспортной машиной, размеры которой ограничены габаритом подвижного состава, а вес — нагрузками на рельсы. Увеличение размеров цилиндра или их числа повышает вес дизеля. Поэтому осуществлять дальнейший рост мощности тепловозных дизелей только за счет этого нельзя. Практика показывает, что для V-образных дизелей число цилиндров должно быть не   более   20.
Как же увеличить мощность дизеля при тех же габаритных ограничениях?
Одним из путей является применение двухтактного дизеля, у которого рабочий цикл, как указывалось выше, осуществляется за один оборот коленчатого вала. Иными словами, в двухтактном двигателе при тех же размерах и той же быстроходности совершается в единицу времени в два раза больше рабочих циклов, чем в четырехтактном. Казалось бы, что при одинаковом рабочем объеме и той же частоте вращения вала мощность двухтактного дизеля должна быть в 2 раза больше мощности четырехтактного дизеля. Однако практически она возрастает только в 1,5— 1,7 раза, так как часть мощности приходится расходовать на привод нагнетателя воздуха, необходимого для пуска и продувки цилиндров; кроме того, часть хода поршня, при котором совершается расширение газа, приходится на период, когда открываются выпускные окна (клапаны) и газы в это время почти не совершают полезной работы.
Другой путь повышения мощности — увеличение частоты вращения вала дизеля. Чем быстрее будет вращаться коленчатый вал, тем большее число рабочих циклов в единицу времени будет выполнено и тем большая работа будет произведена в единицу времени. Однако возможность увеличения частоты вращения вала дизеля ограничивается прочностью отдельных деталей его и интенсивностью их износа, который возрастает с ростом скорости движения деталей. Скорость же    деталей     шатунно-кривошипного механизма зависит не только от частоты вращения вала, но и от величины хода поршня, поэтому принято при определении быстроходности двигателя исходить из средней скорости поршня, которая у современных дизелей достигает 10—12 м/с. Третий путь предусматривает повышение мощности дизеля увеличением работы, выполняемой в цилиндрах двигателя в течение каждого рабочего цикла. А чтобы увеличить эту работу, надо сжечь в цилиндрах больше топлива. Но для этого потребуется больше воздуха. Весовое количество воздуха, которое может уместиться в цилиндре, возрастает с увеличением давления и понижением температуры воздуха. Повысить давление воздуха перед поступлением в цилиндры двигателя внутреннего сгорания можно с помощью наддува.

В начало статьи
<< Назад --------------------------------- Дальше >>