потужність дизеля
Середнє індикаторне ТИСК
Під час переміщення поршня тиск газів в циліндрі змінюється. Сила тиску газів на поршень в зв'язку з цим також є величиною змінною. Робота, як ми знаємо, дорівнює добутку сили та шлях (переміщення). Таким чином, робота газів за робочий цикл може бути підрахована як сума добутків тиску в циліндрі на кожному маленькому ділянці (де це тиск можна прийняти постійним) на переміщення поршня на цій ділянці. Ця сума відповідає площі індикаторної діаграми. Таким чином, площа діаграми, окреслена лінією 3-4-5-3 (див. Рис. 25), висловлює корисну роботу газів, яку вони здійснюють в циліндрі за один робочий цикл. Однак оцінювати роботу циклу по площі індикаторної діаграми в багатьох випадках незручно. Тому введено поняття середнього індикаторного тиску. Умовно взяли, що величина цього тиску не змінюється, т. Е. Є постійною (рис. 29) протягом ходапоршня.
Мал. 29. Визначення середнього індикаторного тиску
Тоді графічно середнє індикаторне тиск являє собою висоту заштрихованого прямокутника, площа якого дорівнює площі індикаторної діаграми, а основа дорівнює довжині діаграми. Середнім індикаторним тиском називають умовне, однаковий за величиною тиск, при якому робота за один цикл дорівнює роботі газів в циліндрі. У тепловозних дизелях середнє індикаторне тиск pi знаходиться в межах 0,58-1,76 МПа (6-18 кгс / см2). Перш ніж перейти до підрахунку роботи і потужності дизеля, з'ясуємо, що таке енергія.
ПОНЯТТЯ ПРО ЕНЕРГІЇ
Слово енергія походить від грецького слова energia, що означає дію, діяльність. Розрізняють енергію кінетичну і потенційну. Кінетичної енергією володіє будь-яке рухоме тіло: поїзд, вода, вітер, куля. Потенційною, або прихованою. енергією володіє тіло, що знаходиться на висоті. Піднімемо, наприклад, бойок молота на деяку висоту і будемо утримувати його в цьому положенні сторонньої силою. На підняття бойка нам довелося затратити роботу, яку неважко підрахувати, якщо його масу помножити на висоту підйому. Поки бойок піднято, він володіє запасом потенційної енергії, накопиченої в міру того, як його піднімали. Якщо тепер відпустити бойок, то під час падіння потенційна енергія переходить в кінетичну (енергію руху). Зникнути енергія не може: вона тільки переходить з одного виду в інший. Це твердження засноване на відомому законі збереження енергії. На перший погляд здається, що коли, наприклад, що котиться з гори вагон зупиняється, то запас його кінетичної енергії кудись «зникає». Насправді кінетична енергія перетворюється на теплову при терті деталей гальмівних пристроїв. Ми не помічаємо цього тому, що нагрівання навколишнього середовища незначно. Зате ми можемо побачити почервоніння гальмівних колодок при різкому гальмуванні поїзда.
Кожен вид енергії може переходити в інший, причому певна кількість «зниклої» енергії одного виду дасть еквівалентне (рівноцінне) йому кількість енергії іншого виду. Іншими словами, кожна одиниця теплоти може дати строго певну кількість роботи, і, навпаки, кожна одиниця роботи може дати певну кількість теплоти.
При роботі двигуна внутрішнього згоряння кожен кілограм рідкого палива при згорянні виділяє певну кількість теплоти. Тепловий ефект будь-якого виду палива, зокрема дизельного, характеризується теплотою згоряння, т. Е. Тим кількістю теплоти, що виділяється при повному згорянні 1 кг даного палива.
Чим же вимірюється теплота згоряння палива? Кількість теплоти вимірюють в джоулях подібно до того, як сила вимірюється в ньютонах, а довжина - в метрах. Встановлено, що 1 кг дизельного палива при повному згорянні здатний виділити тепла до 42 500 кДж (10 151 ккал). Подібність між теплотою і роботою в тому, що вони подібні. Це випливає з одного з основних законів термодінамікі- науці про перетворення теплоти і роботи один в одного.
ПІДРАХУНОК РОБОТИ ТА ПОТУЖНОСТІ ДИЗЕЛЯ
Робота поршня визначається добутком сили, що діє на поршень, на пройдений шлях. Переміщення поршня обмежуються його крайніми положеннями. Як згадувалося вище, хід поршня і діаметр циліндра - величини, дуже важливі для дизеля. Якщо площа поршня помножити на середнє індикаторне тиск, то отримаємо середню силу, прикладену до поршня. Якщо тепер цю силу помножити на відстань, яку проходить поршнем від верхньої до нижньої мертвої точки, то знайдемо роботу, яку здійснюють гази, що діють на поршень, за один хід в одному циліндрі.
Пояснимо це прикладом. Нехай середнє індикаторне тиск одно 0,98 МПа (10 кгс / см2). а площа поршня 0,08 м2 (800 см2). Тоді сила, що діє на поршень такого дизеля, складе 0,98 X 0,08 = 78,4 кН = 78 400 Н (або 800X10 = 8000 кгс).
Нехай хід поршня дорівнює 330 мм, або 0,33 м (дизелі типу Д50). Робота, яку зробить газ при русі поршня з верхньої мертвої точки до нижньої, буде дорівнює добутку сили на величину переміщення, т. Е. На хід поршня: 78400X0,33 = 25 872 Н-м (або 8000X0,33 = 2640 кгс-м ).
Ми підрахували роботу, яку здійснює газ в одному циліндрі за один робочий хід поршня. У чотиритактному дизелі робочий хід відбувається протягом двох повних обертів колінчастого вала. Значить, за один оборот валу в середньому відбувається робота в два рази менше, т. Е.
25 872: 2 = 12936Н-м, або 2640: 2 = 1320 кгс-м.
Тепер підрахуємо потужність дизеля. Припустимо, що колінчастий вал робить в хвилину 750 оборотів, або 750X60 = 45 000 об / ч. Так як робота газу за один оборот валу становить в нашому випадку 12 936 Н-м, то, отже, за 1 год вона буде дорівнює
12 936X45 000 = 582 120 000 Н-м (т. Е. 582 120 000 Дж, так як Н-м = Дж), або 1320Х X45000 = 59 400 000 кгс-м.
Потужністю називається робота, виконана в одиницю часу (в секунду). Якщо за 1 с буде здійснена робота в 736 Н-м (75 кгс-м). то цю потужність умовно називають однією кінської силою (0,736 кВт, або 736 Вт = 75 кгс -м / с). Значить, робота, виконана при потужності 736 Вт (1 л. С.) За 1 год, буде дорівнює 736X Х3600 = 2 649 600 Н-м (= Дж), або 75X3600 = 270 000 кгс-м.
Отже, індикаторна потужність в кіловатах одноциліндрового двигуна визначиться, якщо роботу в джоулях за 1 год розділити на 3600 с: 582 120 000. 3600 = 162 кВт, а в кінських силах, якщо величину годинної роботи 59 400 000 кгс-м розділити на 270 000 , т. е. 59 400 000: 270 000 = 220 л. с.
Однак корисна, або ефективна, потужність, яка вимірюється (реалізована) на колінчастому валу, буде менше індикаторної, так як частина потужності витрачається на подолання опорів в труться частинах шатунно-кривошипного механізму і на привід допоміжних механізмів (насоси, повітродувки і ін.).
Величина цих втрат залежить від величини зазорів, якості обробки деталей, температури і в'язкості масла і в середньому для номінального режиму роботи може бути прийнята рівною близько 20%. Тоді для нашого випадку ефективна потужність для одного циліндра дорівнює 162 X 0,8 = 130 кВт, пли 220X0,8 = 176 л. с, а для шести циліндрів дизеля в 6 разів більше, т. е. 780 кВт, або 1056 л. с. Потужність сучасних тепловозних дизелів досягає 2210, 4400 кВт (3000, 6000 л. С.) В одному агрегаті.
ШЛЯХИ ПІДВИЩЕННЯ ПОТУЖНОСТІ ДИЗЕЛЯ
Безперервне збільшення потужності тепловозних дизелів - одне з найважливіших напрямків розвитку тепловозобудування як в нашій країні, так і за кордоном. Однак рішення цього завдання значно ускладнюється тим, що тепловоз є транспортною машиною, розміри якої обмежені розміром рухомого складу, а вага - навантаженнями на рейки. Збільшення розмірів циліндра або їх числа підвищує вагу дизеля. Тому здійснювати подальше зростання потужності тепловозних дизелів тільки за рахунок цього можна. Практика показує, що для V-образних дизелів число циліндрів повинно бути не більше 20.
Як же збільшити потужність дизеля при тих же габаритних обмеженнях?
Одним із шляхів є застосування двотактного дизеля, у якого робочий цикл, як зазначалося вище, здійснюється за один оборот колінчастого валу. Іншими словами, в двотактному двигуні при тих же розмірах і тієї ж швидкохідності відбувається в одиницю часу в два рази більше робочих циклів, ніж в чотиритактному. Здавалося б, що при однаковому робочому обсязі і тій же частоті обертання валу потужність двотактного дизеля повинна бути в 2 рази більше потужності чотиритактного дизеля. Однак практично вона зростає тільки в 1,5 1,7 рази, так як частина потужності доводиться витрачати на привід нагнітача повітря, необхідного для пуску і продувки циліндрів; крім того, частина ходу поршня, при якому відбувається розширення газу, припадає на період, коли відкриваються випускні вікна (клапани) і гази в цей час майже не роблять корисної роботи.
Інший шлях підвищення потужності - збільшення частоти обертання валу дизеля. Чим швидше буде обертатися колінчастий вал, тим більше число робочих циклів в одиницю часу буде виконано і тим більша робота буде проведена в одиницю часу. Однак можливість збільшення частоти обертання валу дизеля обмежується міцністю окремих деталей його і інтенсивністю їх зносу, який зростає з ростом швидкості руху деталей. Швидкість же деталей шатунно-кривошипного механізму залежить не тільки від частоти обертання валу, але і від величини ходу поршня, тому прийнято при визначенні швидкохідності двигуна виходити з середньої швидкості поршня, яка у сучасних дизелів досягає 10-12 м / с. Третій шлях передбачає підвищення потужності дизеля збільшенням роботи, що виконується в циліндрах двигуна протягом кожного робочого циклу. А щоб збільшити цю роботу, треба спалити в циліндрах більше палива. Але для цього буде потрібно більше повітря. Вагова кількість повітря, яке може вміститися в циліндрі, зростає зі збільшенням тиску і зниженням температури повітря. Підвищити тиск повітря перед надходженням в циліндри двигуна внутрішнього згоряння можна за допомогою наддуву.
