Как найти индикаторный кпд

ГЛАВА
5

ДВИГАТЕЛИ
ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНИЯ

§ 5.1. ПАРАМЕТРЫ,
ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ

Среднее индикаторное
давление и индикаторная мощность.
Под средним индикаторным давлением p_i
понимают
такое условное постоянное давление,
которое, действуя на поршень в течение
одного рабочего хода, совершает работу,
равную индикаторной работе газов в
цилиндре за рабочий цикл.

Согласно определению,
среднее индикаторное давление (Па) равно
отношению индикаторной работы L_i
газов за цикл к еди­нице рабочего
объема V_h
цилиндра,
т. е.

. (5.1)

При наличии
индикаторной диаграммы, снятой с
двигателя (рис. 5.1), среднее индикаторное
давление можно определить по формуле

. (5.2)

где
F
— полезная
площадь индикатор­ной диаграммы, м²;
l
— длина индика­торной диаграммы, м;
т —
масштаб давления индикаторной диаграммы,
Па/м.

Среднее индикаторное
давление при полной нагрузке у
четырехтакт­ных карбюраторных
двигателей 8·10⁵…12·10⁵
Па, у четырехтактных дизелей —
7,5·10⁵…10·10⁵
Па, у двух­тактных дизелей — 6·105…9·10⁵
Па.

Индикаторной
мощностью N_i
(кВт) двигателя
называют работу, соверша­емую газами
в цилиндрах двигателя в единицу времени,
т. е.

, (5.3)

где
р_i
— среднее
индикаторное давление, Па; V_h
— рабочий
объ­ем цилиндра, м³;
п —
частота вращения коленчатого вала,
об/с; τ
— тактность двигателя (τ=4
— для четырехтактных двигателей и τ=2
— для двухтактных); i
— число
цилиндров.

Рабочий объем (м³)
цилиндра

V_h=nD²S/4, (5.4)

где D
— диаметр
цилиндра, м; S
— ход поршня,
м.

Если известны
степень сжатия е двигателя и объем V_c
камеры
сгорания, то рабочий объем V_h
цилиндра
может быть определен по формуле

V_h=(-1)V_c, (5.5)

где 
— степень сжатия, равная отношению
полного объема V_a
цилиндра к
объему V_c
камеры
сгорания, т. е.

.

Эффективная
мощность двигателя и среднее эффективное
дав­ление. Эффективной мощностью N_e
называют
мощность, снима­емую с коленчатого
вала двигателя для получения полезной
работы.

Эффективная
мощность меньше индикаторной мощности
N_i
на величину
мощности N_M
механических
потерь, т. е.

N_e=N_i–N_M. (5.6)
.

Механические
потери в двигателе оцениваются
механическим кпд η_м
который
представляет собой отношение эффективной
мощности к индикаторной:

. (5.7)

Для современных
двигателей механический кпд составляет
0,72…0,9. Зная механический кпд, можно
определить эффектив­ную мощность

N_e=η_мN_i. (5.8
)

Эффективная
мощность N_e
(кВт) двигателя
аналогично ин­дикаторной мощности
может быть выражена через среднее
эф­фективное давление:

. (5.9
)

Среднее эффективное
давление р_е
равно разности
между сред­ним индикаторным давлением
p_i
и средним давлением р_м
механи­ческих
потерь:

p_e=p_i–p_м. (5.10)

Зная механический
кпд, можно определить среднее эффектив­ное
давление (Па):

р_е=η_мр_i. (5.11)

Среднее эффективное
давление при максимальной мощности у
четырехтактных карбюраторных двигателей
составляет 6,5·10⁵…9,5·10⁵
Па, у четырехтактных дизелей —
6·10⁵…8·10⁵
Па, у двухтактных дизелей — 5·10⁵…7,5·10⁵
Па.

Литровая мощность
двигателя.
Литровой мощностью двига­теля N_л,
(кВт/м³)
называют отношение эффективной мощности
N_е
к литражу
двигателя iV_h:

. (5.12)

Индикаторный
кпд и удельный индикаторный расход
топлива.
Экономичность действительного рабочего
цикла двигателя оце­нивается
индикаторным кпд η_i
и удельным индикаторным рас­ходом
топлива b_i.

Индикаторный кпд
η_i
оценивает степень использования тепло­ты
в действительном цикле с учетом всех
тепловых потерь и представляет собой
отношение теплоты, эквивалентной
полез­ной индикаторной работе, ко
всей затраченной теплоте:

. (5.13)

где N_i
— индикаторная
мощность, кВт; В
— расход
топлива, кг/с; Q
— низшая теплота сгорания топлива,
кДж/кг.

Удельный индикаторный
расход топлива b_i,
[кг/(кВт·ч)]
пред­ставляет собой отношение расхода
топлива В к
индикаторной мощности N_i.

b_i=B·3600/N_i. (5.14)

Значения
η_i
и b_i
для двигателей
при их работе на номинальном режиме
приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Тип двигателей	Индикаторный кпд	Эффективный кпд	Удельный индикаторный расход топлива bi г/(кВт·ч)	Удельный эффективный расход топлива be г/(кВт·ч)
Карбюраторные	0,26…0,38	0,25…0,32	230…300	280…325
Дизели	0,43…0,52	0,35…0,45	160…200	190…240

Эффективный кпд
и удельный эффективный расход топлива.
Экономичность работы двигателя в целом
оценивается эффек­тивным кпд
η_е
и удельным эффективным расходом топлива
b_е.

Эффективный кпд
η_е
оценивает степень использования тепло­ты
топлива с учетом всех видов потерь
(как тепловых, так и механических) и
представляет собой отношение теплоты,
эквивалентной полезной эффективной
работе, ко всей затраченной теплоте:

. (5.15)

Если известны
индикаторный кпд и механический кпд,
то

η_е=η_iη_м. (5.16)

Удельный эффективный
расход топлива b_е
[кг/(кВт·ч)]
пред­ставляет собой отношение расхода
топлива В к
эффективной мощности N_e:

b_e=B·3600/N_e. (5.17)

Значения η_е
и b_е
для двигателей
при их работе на номинальном режиме
приведены в табл. 5.1.

Расход (кг/с)
воздуха, проходящего через двигатель:

M_в=2V_hη_Vniρ_в/τ, (5.18)

где V_h
— рабочий
объем цилиндра, м³;
η_V
— коэффициент
напол­нения цилиндров; п
— частота
вращения коленчатого вала, об/с; i
— число цилиндров; ρ_в
— плотность
воздуха, кг/м³;
m
— тактность двигателя.

Задача 5.1.
Определить индикаторную и эффективную
мощ­ности восьмицилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если среднее индикаторное
давление p_i=7,5·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня S=0,095
м, частота вращения коленчатого вала
n=3000
об/мин и механический кпд η_м=0,8.

Ответ: N_i=112,5
кВт; N_e=90
кВт.

Задача 5.2.
Определить
эффективную мощность и удельный
эффективный расход топлива восьмицилиндрового
четырехтакт­ного дизельного двигателя,
если среднее индикаторное давление
р_i=7,5·10⁵
Па, степень сжатия =16,5,
объем камеры сгорания V_c=12·10^-5
м³,
угловая скорость вращения коленчатого
вала w=220
рад/с, механический кпд η_м=0,8
и расход топлива B=1,02·10^-2
кг/с.

Решение:
Среднее эффективное давление определяем
по формуле (5.11):

р_е=η_мр_i
=7,5·10⁵·0,8=6·10⁵
Па.

Рабочий объем
цилиндра, по формуле (5.5),

V_h=(-1)V_c=(16,5-1)12·10^-5=18,6·10^-4
м³.

Частота вращения
коленчатого вала

n=w/(2)=220/(2·3,14)=35
об/с.

Эффективная
мощность двигателя, по формуле (5.9),

=156
кВт.

Удельный эффективный
расход топлива, по формуле (5.17),

b_e=B·3600/N_e=1,02·10^-2·3600/156=0,235
кг/(кВт·ч).

Задача 5.3.
Определить удельный эффективный расход
топ­лива шестицилиндрового
четырехтактного дизельного двигателя,
если среднее эффективное давление
p_е=7,2·10⁵
Па, полный объ­ем цилиндра V_a=1,9·10^-4
м³,
объем камеры сгорания V_c=6,9·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала п=37
об/с и расход
топлива В=3,8·10^-3
кг/с.

Ответ: b_е=0,238
кг/(кВт·ч).

Задача 5.4.
Определить индикаторную мощность и
среднее индикаторное давление
четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если эффективная
мощность N_e=100
кВт, угловая скорость вращения коленчатого
вала w=157
рад/с, сте­пень сжатия =15,
объем камеры сгорания V_c=2,5·10^-4
м³
и ме­ханический кпд η_м=0,84.

Ответ: N_i=119
кВт; p_i=6,8·10⁵
Па.

Задача 5.5.
Определить
индикаторную мощность и удельный
индикаторный расход топлива
шестицилиндрового четырехтакт­ного
дизельного двигателя, если среднее
эффективное давление p_e=6,2·10⁵
Па, диаметр
цилиндра D=0,11
м, ход поршня S=0,14
м, средняя скорость поршня с_т=8,4
м/с, расход топлива B=5,53·10^-3
кг/с и механический кпд η_м=0,82.

Ответ: N_i=90,5
кВт; b_i=0,220
кг/(кВт·ч).

Задача 5.6.
Определить диаметр цилиндра и ход поршня
че­тырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если эффективная
мощность N_e=80
кВт, среднее эффективное давле­ние
p_e=6·10⁵
Па, частота
вращения коленчатого вала п=1800
об/мин и средняя скорость поршня с_т=9,6
м/с.

Ответ: D=0,135
м; B=0,16
м.

Задача 5.7.
Определить мощность механических потерь
восьмицилиндрового четырехтактного
карбюраторного двигате­ля, если
среднее индикаторное давление р_e=1,5·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня S=0,095
м, частота вращения коленчатого вала
n=50
об/с и механический кпд η_м=0,8.

Ответ: N_M=22,4
кВт.

Задача 5.8.
Определить индикаторную мощность и
мощ­ность механических потерь
шестицилиндрового двухтактного
дизельного двигателя, если среднее
эффективное давление р_e=6,36·10⁵
Па, степень сжатия =16,
объем камеры сгорании V_c=7,8·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала n=35
об/с
и механический
кпд η_м=0,84.

Ответ: N_i=186
кВт; N_M=29,8
кВт.

Задача 5.9.
Определить
среднее индикаторное давление и среднее
давление механических потерь
восьмицилиндрового че­тырехтактного
карбюраторного двигателя, если эффективная
мо­щность N_e=145
кВт, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня V_h=0,09м,
средняя скорость поршня с_т=12,0
м/с и механический кпд η_м=0,8.

Ответ: p_i=9,6·10⁵
Па; p_м=1,92·10⁵
Па.

Задача 5.10.
Определить эффективную мощность и
удельный эффективный расход топлива
восьмицилиндрового четырехтакт­ного
карбюраторного двигателя, если
индикаторная работа газов за цикл L_i=649
Дж, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня
S=0,095
м, средняя скорость поршня с_m=9,5
м/с, механический кпд η_м=0,85
и расход топлива В=9,1·10^-3
кг/с.

Ответ: N_e=110,5
кВт; b_е=0,316
кг/(кВт·ч).

Задача 5.11.
Определить удельные индикаторный и
эффек­тивный расходы топлива
четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если среднее
индикаторное давление p_i=6,8·10⁵
Па, степень сжатия =15,
полный объем цилиндра V_a=37,5·10^-4
м³,
угловая скорость вращения коленчатого
вала w=157
рад/с, механический кпд η_м=0,84
и расход топлива B=5,95·10^-3
кг/с.

Ответ: b_i=0,180
кг/(кВт·ч); b_е=0,214
кг/(кВт·ч).

Задача 5.12.
Определить эффективную мощность и
мощность механических потерь
шестицилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если среднее
эффективное давление р_e=5,4·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,108
м, ход поршня S=0,12
м, средняя скорость поршня с_т=8,4
м/с и механический кпд η_м=0,78.

Ответ: N_e=62,4
кВт; N_M=17,6
кВт.

Задача 5.13.
Определить
среднее индикаторное давление и
индикаторную мощность шестицилиндрового
четырехтактного дизельного двигателя,
если диаметр цилиндра D=0,15
м, ход поршня S=0,18
м, частота вращения коленчатого вала
n=1500об/мин.
Индицированием двигателя получена
индикатор­ная диаграмма полезной
площадью F=l,95·10^-3
м²,
длиной l=0,15
м при масштабе давлений т=0,6·10⁸
Па/м.

Ответ: р_i=7,8·10⁵
Па, N_i=186
кВт.

Задача
5.14. Определить
удельный индикаторный расход то­плива
шестицилиндрового четырехтактного
карбюраторного двигателя, если диаметр
цилиндра D=0,082
м, ход поршня S=0,11
м, частота вращения коленчатого вала
n=2800об/мин,
расход топлива B=4,5·10^-3
кг/с. Индицированием двигателя получена
индикаторная диаграмма полезной площадью
F=1,6·10^-3
м²,
длиной l=0,2
м при масштабе давлений m=1108
Па/м.

Решение:
Среднее индикаторное давление определяем
по формуле (5.2):

p_i=Fm/l=1,6·10^–3·1·10⁸/0,2=8·10⁵
Па.

Рабочий объем
цилиндра, по формуле (5.4),

V_h=D²S/4=3,14·0,082²·0,11/4=5,8·10⁴
м³.

Индикаторная
мощность двигателя, по формуле (5.3),

=65
кВт.

Удельный индикаторный
расход топлива, по формуле (5.14),

b_i=B·3600/N_i=4,5·10^-3·3600/65=0,249
кг/(кВт·ч).

Задача 5.15.
Определить индикаторную мощность и
мощ­ность механических потерь
четырехцилиндрового четырехтакт­ного
дизельного двигателя, если степень
сжатия =17,
полный объем цилиндра V_а=11,9·10^-4
м³,
угловая скорость вращения коленчатого
вала w=157
рад/с и механический кпд η_м=0,81.
Индицированием двигателя получена
индикаторная диаграмма полезной площадью
F=1,8·10^-3
м²,
длиной l=0,2
м при масш­табе давлений т=0,8·10⁸
Па/м.

Ответ: N_i=40,3
кВт; N_M=7,7
кВт.

Задача 5.16.
Определить среднее эффективное давление
и сре­днее давление механических
потерь двухцилиндрового четырех­тактного
дизельного двигателя, если эффективная
мощность N_e=18
кВт, диаметр цилиндра D=0,105
м, ход поршня S=0,12
м, частота вращения коленчатого вала
n=30
об/с и ме­ханический кпд η_м=0,78.

Ответ: р_е=5,77·10⁵
Па; р_м=1,63·10⁵
Па.

Задача 5.17.
Определить эффективную мощность и
механи­ческий кпд шестицилиндрового
четырехтактного дизельного дви­гателя,
если среднее эффективное давление
p_е=7,2·10⁵
Па, пол­ный объем цилиндра V_a=7,9·10^-4
м³,
объем камеры сгорания V_c=6,9·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала n=37
об/с и мощность механических потерь
N_M=14,4
кВт.

Ответ: N_e=57,6
кВт; η_м=0,8.

Задача 5.18.
Определить среднюю скорость поршня и
степень сжатия четырехцилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если эффективная мощность
N_e=51,5
кВт, среднее эффективное давление
р_е=6,45·10⁵
Па, ход поршня
S=0,092
м, частота вращения коленчатого вала
n=4000
об/мин и объем
камеры
сгорания V_c=1·10^-4
м³.

Ответ: с_m=12,3
м/с; =7,0.

Задача 5.19.
Определить угловую скорость вращения
колен­чатого вала и степень сжатия
шестицилиндрового четырехтакт­ного
карбюраторного двигателя, если эффективная
мощность N_e=66
кВт, среднее эффективное давление
р_е=6,5·10⁵
Па, часто­та
вращения коленчатого вала п=60
об/с и полный объем цилин­дра V_a=6,63·10^-4
м³.

Ответ: w=377
рад/с; =6,7.

Задача 5.20.
Определить индикаторную мощность и
механи­ческий кпд восьмицилиндрового
четырехтактного карбюратор­ного
двигателя, если среднее индикаторное
давление р_е=7,5·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня S=0,095
м³
средняя скорость поршня с_т=9,5
м/с и мощность
механических потерь N_M=23,5
кВт.

Ответ: N_i=111,8
кВт; η_м=0,79.

Задача 5.21.
Определить
литраж и удельный эффективный расход
топлива шестицилиндрового четырехтактного
карбюра­торного двигателя, если
эффективная мощность N_e=52
кВт, сре­днее эффективное давление
р_е=6,4·10⁵
Па, угловая скорость вращения коленчатого
вала w=314
рад/с и расход топлива B=3,8·10^-3
кг/с.

Ответ: iV_h=32,5·10^-4
м³;
b_е=0,263
кг/(кВт·ч).

Задача 5.22.
Определить
расход топлива четырехцилиндрово­го
четырехтактного дизельного двигателя,
если среднее индика­торное давление
p_i=6,8·10⁵
Па, частота вращения коленчатого вала
n=25
об/с, степень сжатия =15,
объем камеры сгорания
V_c=2,5·10^-4
м³,
механический кпд η_м=0,84
и удельный эффек­тивный расход топлива
b_e=0,180
кг/(кВт·ч).

Ответ: В=5·10^–3
кг/с.

Задача 5.23.
Определить
расход топлива шестицилиндрового
четырехтактного карбюраторного двигателя
если среднее инди­каторное давление
p_i=8·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,082
м, ход поршня S=0,11
м, средняя скорость поршня с_т=9,9
м/с, механический
кпд η_м=0,85
и удельный эффективный расход топ­лива
b_e=0,276
кг/(кВт·ч).

Ответ: B=4,08·10^–3
кг/с.

Задача 5.24.
Определить
литровую мощность и удельный ин­дикаторный
расход топлива восьмицилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если среднее индикаторное
дав­ление p_i=8·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,12
м, ход поршня S=0,1
м, угловая скорость вращения коленчатого
вала w=377
рад/с, механический кпд η_м=0,8
и расход топлива B=16·10^-3
кг/с.

Решение:
Рабочий объем цилиндра определяем по
формуле (5.4):

V_h=nD²S/4=3,14·0,12²·0,1/4=11,3·10⁴
м³.

Частота вращения
коленчатого вала

n=w/(2)=377/(2·3,14)=60
об/с.

Индикаторная
мощность двигателя, по формуле (5.3),

=217
кВт.

Эффективная
мощность двигателя, по формуле (5.8),

N_e=η_мN_i=217·0,8=173,6
кВт.

Литровая мощность
двигателя, по формуле (5.12),

=19200
кВт/м³.

Удельный индикаторный
расход топлива, по формуле (5.14),

b_i=B·3600/N_i=16·10^-3·3600/217=0,265
кг/(кВт·ч).

Задача 5.25.
Определить
литровую мощность шестицилиндрового
четырехтактного дизельного двигателя,
если среднее эф­фективное давление
р_е=1·10⁵
Па, частота вращения коленчатого вала
п=35
об/с, степень сжатия =14,5
и объем камеры сгорания V_с=22·10^-5
м³.

Ответ: N_л=12250
кВт/м³.

Задача 5.26.
Определить
индикаторную мощность и расход топлива
восьмицилиндрового карбюраторного
двигателя, если среднее эффективное
давление р_е=6,56·10⁵
Па, диаметр цилинд­ра D=0,12
м, ход поршня
S=0,1
м, частота вращения коленчатого вала
n=70
об/с, механический кпд η_м=0,82
и удельный
индикаторный расход топлива b_i=0,265
кг/(кВт·ч).

Ответ: N_i=
253 кВт; В=18,6·10^-2
кг/с.

Задача 5.27.
Определить
частоту вращения коленчатого вала и
удельный эффективный расход топлива
четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если эффективная
мощ­ность N_e=109
кВт, среднее эффективное давление
р_е=5,6·10⁵
Па, степень сжатия =14,
объем камеры сгорания V_с=2,5·10^-4
м³
и расход топлива B=6,5·10^-3
кг/с.

Ответ: п=30
об/с; b_е=0,215
кг/(кВт·ч).

Задача 5.28.
Определить
эффективный кпд шестицилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если среднее эф­фективное
давление р_е=6,2·10⁵
Па, низшая теплота сгорания топлива
Q=44
000 кДж/кг, диаметр цилиндра D=0,092
м, ход поршня S=0,082
м, средняя скорость поршня с_т=8,2
м/с и рас­ход топлива B=4,4·10^-3
кг/с.

Решение:
Рабочий объем цилиндра определяем по
формуле (5.4):

V_h=nD²S/4=3,14·0,092²·0,082/4=5,45·10^-4
м³.

Частота вращения
коленчатого вала

n=c_m/(2S)=8,2/(2·0,082)=50
об/с.

Эффективная
мощность двигателя, по формуле (5.9),

=50,7
кВт.

Эффективный кпд,
по формуле (5.15),

=0,26.

Задача 5.29.
Определить
индикаторный и механический кпд
четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, ес­ли среднее
индикаторное давление p_i=6,8·10⁵Па,
низшая тепло­та сгорания топлива
Q=41800
кДж/кг, угловая скорость вра­щения
коленчатого вала w=157
рад/с, степень сжатия =15,
объем камеры сгорания V_с=2,5·10^-4
м³,
расход топлива B=6·10^-3
кг/с и эффективный кпд η_e=0,4.

Ответ: η_i=0,476;
η_м=0,84.

Задача 5.30.
Определить
индикаторный кпд шестицилиндрового
двухтактного дизельного двигателя,
если среднее эффектив­ное давление
р_е=6,36·10⁵
Па, низшая теплота сгорания топлива
Q=42000
кДж/кг, степень сжатия =16,
объем камеры сгора­ния V_с=7,8·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала
n=2100
об/мин, расход топлива B=1,03·10^-2
кг/с и мощность механических потерь
N_M=29,8
кВт.

Ответ: η_i=0,43.

Задача 5.31.
Определить индикаторный и эффективный
кпд четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, ес­ли степень
сжатия =17,
полный объем цилиндра V_a=11,9·10^-4
м³,
угловая скорость вращения коленчатого
вала w=157
рад/с, низшая теплота сгорания топлива
Q=42600
кДж/кг, расход топлива B=2,2·10^-3
кг/с и механичес­кий кпд η_м=0,81.
Индицированием двигателя получена
индикаторная диаграмма полезной площадью
F=1,9·10^-3
м²,
длиной l=0,19
м, при масштабе давлений m=0,72·10⁸Па/м.

Ответ: η_i=0,43;
η_e=0,35.

Задача 5.32.
Определить
расход топлива для восьмицилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если среднее эффективное
давление р_е=7·10⁵Па,
полный объем цилиндра V_a=7,9·10^-4
м³,
объем камеры сгорания V_c=7,0·10^-5
м³,
ча­стота вращения коленчатого вала
n=53
об/с, низшая теплота сгорания топлива
Q=46000
кДж/кг и эффективный кпд η_e=0,28.

Ответ: B=8,3·10^–3
кг/с.

Задача 5.33.
Определить
расход топлива для шестицилиндрового
четырехтактного дизельного двигателя,
если среднее ин­дикаторное давление
p_i=9·10⁵
Па, полный объем цилиндра V_a=7,9·10^-4
м³,
объем камеры сгорания V_c=6,9·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала
п=2220
об/мин, низшая теплота сго­рания
топлива Q=42800
кДж/кг, эффективный кпд η_e=0,35
и механический кпд η_м=0,84.

Решение:
Рабочий объем цилиндра

V_h=V_a–V_c=1,9·10^–4-6,9·10^–5=7,2·10^–4
м³.

Индикаторный кпд
определяем из формулы (5.16):

η_i=η_е/η_м=0,35/0,84=0,44.

Индикаторная
мощность двигателя, по формуле (5.3),

=72
кВт.

Расход топлива,
по формуле (5.13),

=3,82·10^–3
кг/с.

Задача 5.34.
Определить экономию топлива в процентах,
ко­торую дает замена, карбюраторного
двигателя дизельным яри средней
индикаторной мощности N_i=148
кВт, если индикатор­ный кпд карбюраторного
двигателя η_i1=0,34,
дизельного — η_i2=0,45.
Низшая теплота сгорания бензина Q=43500
кДж/кг, дизельного топлива Q=42600кДж/кг.

Индикаторный КПД

Что такое индикаторный КПД?

Индикаторный КПД – это соотношение теплоты, которая была преобразована в механическую работу рабочего цикла, ко всей теплоте, которая была занесена с помощью топлива в двигатель.

Зависимость индикаторного КПД

Зависит показатель индикаторного КПД от параметра степени сжатия и коэффициента избытка воздуха, а также от оборотов коленчатого вала.

Индикаторный КПД формула:

Ni=(0,05+0,2a) (0,6+0,08ξ) (0,93+0,0007nдв)

При стабильной и постоянной степени сжатия, в пределах 6,5 и оборотах коленчатого вала 2000 мин^-1 при обеднении смеси – индикаторный кпд повышается от 0,6 до 1,15 – N меняется от 0,20 до 0,34. При а=1,15, с повышением оборотов коленчатого вала от 1000 до 3000 КПД возрастает от 0,32 до 0,39.

Практически на всех легковых автомобилях рабочие режимы с высокой степенью сжатия индикаторный КПД варьируется в пределах 0,34 – 0,37. Чем выше  индикаторный КПД, тем ниже расход топлива. Если рассматривать карбюраторные двигатели, то индикаторный КПД повышается при увеличении массы груза автомобиля, увеличении скорости движения автомобиля и суммарного сопротивления дороги колесам. В дизельных двигателях все да наоборот.

Расчеты показывают, что для уменьшения расхода топлива автомобиля необходимо поднять его грузоподъемность и увеличить скорость движения.

Конструктивные особенности введу разных обстоятельств мы изменить не в состоянии, но многие факторы водитель может изменить посредством правильного выбора скорости автомобиля и переключения передачи в зависимости от выбранного режима движения. Например, для автомобиля ЗИЛ-130  индикаторный КПД составил 0,33.

Q == 2,49 • i_k+0,096 • i_k2 • V_k + 0,0105 • Ga • Ψ+0,0026 • V_k2.

При оборотах коленчатого вала двигателя 1000 об.,  во время включения прямой передачи и скорости движения автомобиля 50 км/час расход топлива автомобиля ЗИЛ 130 составил 26,6 литров на 100 км, а для сравнения на 3 передаче расход топлива увеличился до 43 литров на 100 км, практически 60 процентов перерасхода. Это говорит о том, что необходимо во время переключать передачи.

Передаточное число коробки передач – внушаемый фактор, который влияет на износ и работоспособность двигателя и в своем роде на расход топлива. Это объясняется тем, что моторесурс двигателя определяется не пробегом автомобиля, а рассчитывается суммарное  количество оборотов коленчатого вала, после чего делаем выводы о износе двигателя. Следовательно, движение на пониженных передачах увеличивает как расход топлива, так и износ двигателя.

Движение автомобиля с постоянной скоростью более выгодно, экономично и целесообразно – это было известно еще давно. У каждого автомобиля карбюраторного или дизельного, есть свой оптимальным режим работы двигателя. Также можно выбрать оптимальную скорость, при которой износ двигателя и расход топлива будет минимален. Оптимальная скорость для грузовых автомобилей составляет 40…60 км/ч. Для легковых 60-80 км/час.

При эксплуатации автомобиля необходимо обращать внимание на расход топлива и на денежные затраты. Уменьшение расхода топлива положительно сказывается на вашем кошельке, и природа загрязняется меньше. Ведь чем меньше топлива сгорает, тем меньше выделяются вредные вещества.

Энергетические и экономические показатели работы ДВС



Действительная индикаторная диаграмма

Полезная работа, которую совершает поршень при перемещении внутри цилиндра, получается в результате частичного преобразования теплоты при сгорании топлива. Эту работу называют индикаторной.
Индикаторная работа соответствует площади, заключенной между кривой сжатия и кривой расширения на индикаторной диаграмме (рис. 1).
Площадь на индикаторной диаграмме, заключенная между кривыми впуска и выпуска, соответствует работе, затраченной на процесс газообмена (насосные ходы поршня). Как известно, точки с и z‘, полученные на расчетной индикаторной диаграмме, не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате предварительного открытия клапанов и запаздывания их закрытия относительно ВМТ и НМТ поршня часть площади, соответствующей индикаторной работе, выпадает из индикаторной диаграммы (пунктирная линия b’bb”).

В результате площадь действительной индикаторной работы (сплошные линии) оказывается меньше расчетной (штриховые линии).
Для получения действительной индикаторной диаграммы используют коэффициент скругления φ_i. Значения коэффициента скругления в зависимости от типа четырехтактного двигателя могут принимать значения от 0,92 до 0,97.

***

Индикаторные показатели

Индикаторными показателями называют показатели, характеризующие работу, совершаемую газами в цилиндре двигателя. Эти показатели определяют эффективность использования рабочего объема двигателя и степень преобразования выделяемой теплоты в полезную работу внутри цилиндров.
К индикаторным показателям относятся:

• индикаторная мощность N_i;
• среднее индикаторное давление p_i;
• индикаторный КПД η_i;
• удельный индикаторный расход топлива g_i.

Среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление – это условное постоянное по величине избыточное давление, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает работу, равную работе газов за весь цикл:

L_i = p_iFS = p_iV_h      (1),

где L_i – работа газов за один цикл в одном цилиндре двигателя;
p_i – среднее индикаторное давление;
F – площадь поршня;
S – ход поршня;
V_h – рабочий объем цилиндра.

Тогда можно записать:

p_i = L_i/V_h      (2),

Т. е. среднее индикаторное давление численно равно работе газов за цикл, отнесенной к единице рабочего объема. Таким образом, этот показатель оценивает степень эффективности использования объема цилиндра.

Значения p_i могут быть получены расчетным путем или по индикаторным диаграммам. При расчете используют параметры характерных точек расчетных циклов. При этом работа расчетного цикла может быть выражена как разность работ расширения и сжатия:

L_i’ = L’_yz + L’_zb – L’_ac      (3),

где L’_yz + L’_zb – индикаторная работа расширения расчетного цикла двигателя, L’_ac – работа сжатия.

Так как работа (и среднее индикаторное давление) действительных циклов на самом деле меньше, чем расчетных циклов, то с учетом коэффициента скругления φ_i индикаторной диаграммы:

L_i = L_i’φ_i,     p_i = p_i’φ_i.

С помощью индикаторной диаграммы можно найти среднее индикаторное давление, обозначив индикаторную работу через площадь F_i:

p_i = F_i/m_рl,

где m_р – масштаб диаграммы по оси ординат; l – длина диаграммы по оси абсцисс.

Индикаторная мощность

Индикаторная мощность N_i – это мощность, которая развивается газами внутри цилиндра. В общем случае мощность – это скорость выполнения работы, т. е. работа, совершаемая в единицу времени. Работа газов в цилиндрах двигателя за 1 мин рассчитывается по формуле:

L_i = p_iV_h(2π/τ)i      (4),

где n – частота вращения коленчатого вала; τ – число тактов; i – число цилиндров.

Тогда работа, совершаемая газами за 1 сек, т. е. индикаторная мощность будет равна:

N_i = p_iVhni/(30τ)      (5).

Индикаторный КПД

Индикаторный КПД η_i – это отношение теплоты, преобразованной в индикаторную работу Q_i к общему количеству теплоты затраченного топлива Q₁:

η_i = Q_i/Q₁ = L_i/G_тцH_и      (6),

где G_тц – цикловая подача топлива; H_и – низшая теплотворная способность топлива.

Индикаторные КПД характеризует экономичность действительного цикла. Он всегда меньше термодинамического КПД вследствие дополнительных потерь в действительном цикле, которые не учитываются при определении η_i. 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 циклом используют относительный КПД η_o:

η_о = η_i/η_t.

Индикаторный удельный расход топлива

Другим показателем, характеризующим экономичность действительного цикла, является индикаторный удельный расход топлива g_i:

g_i = 103Gт/N_i      (7),

где G_т – часовой расход топлива.

Удельный индикаторный расход топлива и индикаторный КПД связаны между собой отношением:

g_i = 3600/(η_iH_и)      (8).

Из уравнения (6) получим:

L_i = H_иG_тцη_i/V_h      (9).

Подставив это выражение в уравнение (2), получим:

p_i = H_иG_тцη_i/V_h.

Выразив цикловую подачу топлива в зависимости от цикловой подачи воздуха и коэффициента избытка воздуха, и подставив эти выражения в предыдущее уравнение, получим:

p_i = (H_и/l_o)(η_i/α)η_vρ      (10).

***



Факторы, влияющие на индикаторные показатели

На индикаторные показатели оказывают влияние следующие факторы:

1. Топливо

Изменение фракционного состава топлива в зависимости от способа смесеобразования приводит к ухудшению или улучшению индикаторных показателей.

2. Состав смеси

Для дизельных и карбюраторных двигателей состав смеси оказывает различное влияние (рис. 2).
У карбюраторного двигателя наибольшее значение индикаторного КПД достигается при α = 1,05…1,1, когда имеет место полное и достаточно быстрое сгорание топлива.
У дизелей вследствие недостатков внутреннего смесеобразования топлива полностью сгорает при α = 2,5…4,0, чему способствует наибольшее значение индикаторного КПД. Уменьшение коэффициента избытка воздуха от указанных значений приводит к недогоранию топлива, 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 снижается при любом отклонении угла опережения зажигания от оптимального.

4.Частота вращения коленчатого вала

Рост частоты вращения коленчатого вала приводит к увеличению индикаторного КПД, поскольку сокращается время цикла и суммарная теплоотдача в стенки цилиндров. Однако при некоторых максимальных значениях частоты вращения коленчатого вала индикаторный КПД падает, так как догорание топлива все более завершается на линии расширения (по индикаторной диаграмме).

5. Нагрузка

У карбюраторных двигателей наибольшие значения индикаторного КПД соответствуют средним нагрузкам при экономичном составе смеси 1,05<α<1,15. У дизелей экономичный состав смеси соответствует 2,5<α<3,5, а диапазон средних нагрузок при максимальном значении индикаторного КПД более широк и составляет 25…45% максимальной нагрузки.

6. Тип камеры сгорания

В случае раздельных 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 и с допустимой токсичностью при меньших значениях коэффициента α, чем дизели с однополостными камерами сгорания. Поэтому, несмотря на меньшую величину индикаторного КПД, среднее индикаторное давление двигателей с раздельными камерами сгорания не уступает среднему индикаторному давлению двигателей с неразделенной камерой сгорания.

7. Степень сжатия

Степень сжатия влияет на индикаторный КПД также, как и на термодинамический КПД, поэтому при проектировании двигателей стремятся к увеличению степени сжатия. Однако у карбюраторных двигателей увеличение степени сжатия ограничено детонацией. У дизельных двигателей индикаторный КПД при увеличении степени сжатия более некоторых оптимальных значений будет изменяться незначительно.

8. Климатические условия (окружающая среда)

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 индикаторного КПД и индикаторного давления.

***

Основные термины и определения теплотехники



Лекция 5
Тема 4: индикаторные и эффективные показатели двигателей

4.1 Порядок построения индикаторной
диаграммы двигателей

Индикаторная диаграмма двс строится с использованием данных расчёта рабочего процесса.

Порядок построения:

Изобразим индикаторную диаграмму смешанного цикла

1. Выбор масштабов давления (μр) и объёма (μv) цилиндра. Высота диаграммы д. б. в 1,2…1,8 раза больше основания. Масштаб давлений рекомендуется брать:

μ_р=0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,08…0,10 МПа/мм;

По оси объёма (хода поршня) [V(S)] лучше всего откладывать не абсолютные, а относительные величины . Для этого выбираем единичный отрезок объёма камеры сгорания V_c=1. Далее в этом же масштабе откладываем относительный объём  вплоть до  т. к. V_c=1.

Вместе со шкалой V можно представить шкалу .

.

Рекомендуемые материалы

2. По данным теплового расчёта на диаграмме на оси ординат откладываем в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: а, с, b, z, z^/, l, r.

3. Проводим прямые через точки Р_r, P_a, P_z^/, параллельно осям. Причём отрезок  z^/z для дизелей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты.

ρ – степень предварительного расширения.

а)

б)

в)

а – дизельный двигатель без наддува

б – карбюраторный двигатель

в – дизельный двигатель с наддувом

             

4. Соединяем точки а и с z и b по политропам сжатия (ас) и расширения (zb). Построение политроп сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методами.

4.1.1 Аналитический метод построения политроп сжатия и расширения

При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляются ряд точек для промежуточных относительных объёмов (или хода поршня), расположенных между Vc (c) и Va (a) и между Vz и Vb (zb) по уравнению политропы:

– для политропы сжатия:

; 

Отношение  имеется в пределах (ε…1)

– Для политропы расширения:

Отношение  изменяется в интервале:

– для карбюраторных двигателей – (1…ε) – сжатие, расширение

– для дизелей – (1…δ) расширение

                         (1…ε) сжатие

При аналитическом методе построения диаграммы определение ординат точек политроп сжатия и расширения удобно производить табличным методом.

Соединяя расчётные точки между точками «а» и «с» – получим политропу сжатия, а между точками «z» и «b» – политропу расширения.

Процессы выпуска и впуска принимаются протекающими при P=const и V=const (прямые bl, lr, rr, ra).

4.1.2 Графический способ построения политроп сжатия и расширения (Брауэра)

Порядок построения

1. Из начала координат (О) проводят луч Ос под углом α (лучше взять α=15).

2. Проводят лучи ОД и ОЕ под углами β₁ и β₂

_{,  .}

      3. Политропу сжатия строят с помощью лучей ОС и ОД.

      4. Из точки С проводят горизонталь до пересечения с осью ординат, а затем луч под углом 45⁰ к вертикали линию до пересечения с лучом ОД, а из этой точки – вторую горизонталь.

      5. Из точки С проводят вертикаль до пересечения с лучом ОС,  а затем луч под углом 45⁰ к вертикали линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат.

      6. Точка пересечения горизонтали и вертикали даёт промежуточную точку 1 политропы сжатия.

      7. Точка 2 находится аналогичным способом, причём за начало построения принимается предыдущая точка, т. е. точка 1.

      8. Политропу расширения строят с помощью лучей ОС и ОЕ, начиная от точки z, аналогично построению политропы сжатия.

На индикаторной диаграмме нужно установить место положение точек:

с – опережение зажигания (впрыска);

f – воспламенение топлива;

с – повышение давления в конце процесса сжатия;

z_д – максимальное действительное давление;

b – открытие выпускного клапана;

b – снижение давления в конце расширения;

r – начало открытия впускного клапана;

а – закрытие впускного клапана;

а – закрытие выпускного клапана.

Для этого необходимо установить связь между углом φ поворота коленчатого вала двигателя и перемещением поршня. Положение этих точек определяется углом поворота кривошипа к. в. д.

где λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна,    

4.2  Индикаторные показатели двигателя

К индикаторным показателям двигателя относят:

– среднее индикаторное давление P_i;

– индикаторная мощность N_i;

– индикаторный удельный расход топлива q_i;

– индикаторный КПД η_i.

4.2.1 Среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление – это значение условного постоянного давления в цилиндре двигателя, при котором, работа произведённая рабочим телом за один такт, равнялась бы индикаторной работе цикла.

[или, P_i – это такое условное постоянно действующее избыточное давление, при котором работа газов, произведённая за один ход поршня, равна индикаторной работе цикла.]

т. е.               МНм  (Мдж)

где P_i – среднее индикаторное давление, МПа

       F – площадь поршня, м²

       S – ход поршня, м

или  ,             МПа.

а)

б)

Площадь нескругленной части диаграммы aczzba в определённом масштабе выражает теоретическую расчётную работу газов за цикл.

Площадь скруглённой части accz_дbba – действительная работа газов.

Рассмотрим определение теоретической индикаторной работы смешанного цикла дизеля, т. е. для наскруглённой  расчётной диаграммы (aczzba).

Работа цикла:

Работа на участке zz при P=const.

    т. к.         .

Работа политропного процесса расширения, участок zb:

Умножим и разделим правую часть на V_c, и получим, что

              

.

Удельная работа политропного процесса.

Из характеристического уравнения   

   

Работа политропного процесса сжатия:

(участок ас):

Теоретическая индикаторная работа цикла

4.2.2 Среднее теоретическое индикаторное давление цикла

Среднее теоретическое индикаторное давление цикла, или работа цикла, приходящаяся на единицу рабочего объема цилиндра для нескруглённой диаграммы.

    

        

,  Дж/м³        ,   МПа

Подставим в формулу значение

Для смешанного цикла, с учётом , а:

.диз.

Для цикла при V=const, ρ=1 и  δ=ε.

Тогда среднее теоретическое индикаторное давление:

, карб.

Среднее индикаторное давление P_i действительного цикла меньше среднего теоретического индикаторного давления на величину за счёт скругления в точках c, z, b.  .

Это уменьшение P_i оценивается коэффициентом полноты диаграммы .

Значения :  – карбюраторный двигатель

                         – дизельный двигатель

Среднее давление насосных потерь впуска и выпуска

ΔP_i = P_r – P_a , может быть положительной и отрицательной. Потери на газообмен учитываются в механических потерях двигателя.

Среднее индикаторное давление может быть определенно, планиметрированием площади диаграммы Fac(z)zba, мм².

Теоретическое индикаторное давление нескруглённой диаграммы P_i

, МПа

где  – площадь диаграммы в мм²

 – масштаб давления, МПа/мм

АВ – длинна диаграммы, мм

 – расширение

 – сжатие

Среднее индикаторное давление процесса расширения и сжатия

Значения: P_i=0,6…1,4 МПа – карбюраторный двигатель

                  P_i=до 1,6 МПа карбюраторный двигатель форсированный

                  P_i=0,7…1,1 МПа дизельный без наддува

                  P_i=до 2,2 МПа дизельный с наддувом

4.2.3 Индикаторная мощность двигателя

Индикаторная мощность двигателя – работа, совершаемая газами внутри цилиндров в единицу времени:

      КНм – индикаторная работа цикла

Время цикла    , с время в одном цилиндре

 КВт – индикаторная мощность всего двигателя

P_i – среднее индикаторное давление, МПа;

V_h – рабочий объём цилиндров двигателя, л;

n – частота вращения вала двигателя, об/мин;

I – число цилиндров двигателя;

 – тактность двигателя (число ходов поршня за один цикл)

2n – число тактов в минуту в одном цилиндре,

 – число одноимённых тактов (циклов) в минуту в одном цилиндре

4.2.4 Индикаторный удельный расход топлива

Эффективность использования теплоты в двигателях можно оценить по удельному расходу топлива.

Удельный индикаторный расход топлива – это количество топлива расходуемое на единицу выполняемой работы

, г/КВт ч

G_T – часовой расход топлива, кг/ч

N_I – индикаторная мощность двигателя, КВт.

4.2.5 Индикаторный КПД

Индикаторный КПД представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе цикла ко всему количеству теплоты, внесённой в цилиндр с топливом.

,

где L_i – теплота, эквивалентная индикаторной работе цикла, МДж/кг;

Q_H – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

, (КВт ч/г);   ,   (КВт ч/кг)

       МДж/кг

т.е. 1КВт ч=3600КДж

 может быть определенно по параметрам рабочего тела

     МДж

V_h определим из характеристического уравнения

, но          

тогда

Подставим V_h в уравнение

 – коэффициент наполнения цилиндра двигателя

M₁ – действительное количество свежего заряда, кмоль

P₀, T₀ – условия, при которых поступает свежий заряд, МПа

Q_H – низшая температура сгорания топлива, МДж/кг

 – Относительный КПД – оценивает степень совершенства действительного рабочего цикла по отношению к теоретическому КПД.

    

Для дизельных выше, для карбюраторных ниже.

4.3 Механические потери в двигателе

Часть индикаторной мощности двигателя затрачивается на преодоление механических потерь.

Мощность механических потерь – N_M

, КВт

где N_Т, N_г, N_вм, N_в, N_к – мощности, затрачиваемые соответственно на трение, на процесс газообмена, на привод вспомогательных механизмов(топливного, водяного и масляного насосов, вентилятора, генератора и др.) на перетекание заряда в дизеле с раздельными камерами сгорания, на привод в действие компрессора.

По аналогии с индикаторной мощностью формула для механических потерь:

, КВт

где: Р_М – среднее давление механических потерь – это работа механических потерь, приходящаяся на единицу рабочего объема цилиндра. Часть среднего индикаторного давления, затрачиваемого на механические потери, МПа.

, МПа

Обозначения аналогичные N_М.

80% всех потерь приходится на трение, из них 45…55% цилиндропоршневая группа.

Р_М – определяют по эмпирическим зависимостям

,

где a и b – коэффициенты, зависящие от типа, конструкции, размеров, числа цилиндров [справочные данные 1, 2] двигателя.

С_П – средняя скорость поршня, м/с.

 , м/с

где: S – ход поршня, м;

        n – частота вращения вала двигателя, об/мин.

4.4 Эффективные показатели двигателя.

4.4.1 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление P_e – это отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объёма цилиндра.

Т. е. это условное постоянное давление в цилиндре двигателя, при котором работа, проводимая в нём за один такт, равнялась бы эффективной работе за цикл.

, МПа

где:

L_i – индикаторная работа цикла

L_М – работа механических потерь.

Р_е можно представить как:

, МПа

где Р_i, P_М – соответственно среднее индикаторное давление и давление механических потерь, МПа

Р_е = 0,6…1,1 – карбюраторный

Р_е = 0,55…0,85 – дизельный без наддува

Р_е = до 2,0 – дизельный с наддувом.

Длительное время стремились к увеличению Р_е. Однако, за последние 10…15 лет эта тенденция заметно изменилась в связи с растущими требованиями к токсичности двигателей.

Сейчас характерно сохранение и даже снижение Р_е при резком уменьшении токсичности.

4.4.2 Эффективная мощность

Эффективная мощность N_e – это мощность двигателя снимаемая с коленчатого вала двигателя, КВ.

Эта мощность передаётся трансмиссии тракторов и автомобилей.

, КВт

где:

N_i – индикаторная мощность, КВт

N_М – мощность, затрачиваемая на преодоление механических потерь, КВт.

По аналогии с N_i формула N_е может быть записана:

, КВт

Крутящий момент двигателя (НМ) можно описать формулой

   , рад/с  , НМ

где ω – угловая скорость коленчатого вала, рад/с

, Нм

или подставляя значение N_е

откуда

, МПа

Если обозначим    , то  

Следовательно, для данного двигателя крутящий момент прямо пропорционален среднему эффективному давлению.

При испытании двс.

4.4.3 Литровая мощность

Литровая мощность – эффективная мощность, приходящаяся на единицу рабочего объёма цилиндров двигателя.

, КВт/л

где

V_л – литраж двигателя:   

N_л=15…40 КВт/л – карбюраторный двигатель

N_л=11…22 КВт/л – дизельный двигатель

4.4.4 Удельная масса двигателя

Удельная масса двигателя – отношение массы незаправленного двигателя к его номинальной мощности, кг/КВт;

, кг/КВт

где m_д –  масса незаправленного двигателя, кг

g_N = 2…6 кг/КВт – карбюраторный двигатель

g_N = 4,5…14 кг/КВт – дизельный двигатель.

4.4.5 Механический КПД

Механический КПД – оценочный показатель механических потерь в двигателе.

η_м – отношение среднего эффективного давления, эффективной мощности и момента к соответственным индикаторным показателям.

Из уравнений имеем:

     

η_м = 0,7…0,9 – карбюраторный двигатель

η_м = 0,7…0,82 – дизельный двигатель без наддува

η_м = 0,8…0,9 – дизельный двигатель с наддувом

4.4.6 Эффективный КПД

Эффективный КПД (η_е) – отношение количества теплоты, эффективной полезной работы на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесённой в двигатель с топливом.

где L_e – теплота, эквивалентная эффективной работе, МДж/кг топл;

Q_н – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг

т. к. ;  

, то

 – характеризует степень использования теплоты в двигателе с учётом всех потерь: тепловых и механических.

4.4.7 Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива (г/КВт ч) определяется

, г/КВт ч

где:

G_T – часовой расход топлива, кг/ч

η_е по аналогии с η_i можно записать

.

4.4.8 Часовой расход топлива

Часовой расход топлива может быть определён

, кг/ч

Примерные значения

4.5 Определение основных размеров цилиндра двигателя.

Методом тягового динамического расчёта определяется необходимая эффективная мощность двигателя.

По N_e определяем V_л (литраж двигателя)

из формулы

найдём

Рабочий объём одного цидиндра

где

S – ход поршня, м;

Обозначим:

 – выбирается (короткоходность двигателя).

В зависимости от  двигатели делятся на:

а) короткоходные ;

б) длинноходные

Рекомендуется принимать:

а) =0,7…1,0  – карбюраторный двигатель

б) =0,9…1,2 – дизельный автомобильный

в) =1,1…1,3 – дизельный тракторный

Тогда:  и  ,    Dà дм

, мм  Зависимость не учитывает С_п

или если подставим    

где    , м/с – скорость поршня, Sàмм

, мм

где: N_e – КВт;  P_e – МПа;   С_п – м/с.

Ход поршня будет . Полученные значения S и D округляют до целых чисел и по принятым значениям уточняют основные параметры и показатели двигателя.

V_л, N_e, М_е, С_п, G_T по выше приведённым формулам

Скорость поршня С_п является критерием быстроходности:

С_п<6,5 м/с – тихоходные

С_п>6,5 м/с – быстроходные.

На современных мобильных машинах С_п, м/с

1) Карбюраторный двигатель легковых автомобилей С_п=12…15 м/с

2) Карбюраторный двигатель грузовых автомобилей С_п=9…12 м/с

3) Автомобильные газовые двигатели С_п=7…11 м/с

4) Дизели автомобильные С_п=6,5…12 м/с

5) Дизели тракторные С_п=5,5…10,5 м/с.

4.6  Тепловой баланс двигателя.

При рассмотрении рабочего цикла выяснили, что только 20…40% тепла от сгорания топлива используется для совершения полезной работы (эффективной). Остальная часть составляет тепловые потери.

Тепловой баланс в целом и отдельные его составляющие в частности позволяют оценить:

показатели теплонапряжённости двигателя, рвсчитать систему охлаждения, определить резервы в использовании теплоты отработавших газов и пути повышения экономичности двигателя.

Уравнение теплового баланса в абсолютных единицах:

, КДж/ч

где:

Q – количество теплоты вводимое в двигатель при сгорании топлива в единицу времени, КДж/ч

, КДж/ч

Q_н – низшая теплотворная способность топлива, КДж/кг

G_т – часовой расход топлива, кг/ч

Q_е – теплота, эквивалентная эффективной работе, КДж/ч

, КДж/ч   или

N_e – эффективная мощность двигателя, КВт

Q_охл  -количество теплоты, выделяемое окружающей средой (система охлаждения).

, КДж/ч

где:

G_охл – расход охлаждающей жидкости, проходящей через систему охлаждения, кг/ч.

С – теплоёмкость охлаждающей жидкости, КДж/кг град

(для воды С=4,186 КДж/кг град)

t_вых t_вх – температура выходящей из двигателя с входящей в двигатель охлаждающей жидкости, град.

Теплоту, передаваемую охлаждающей среде, можно определить по эмпирической зависимости:

для карбюраторных двигателей

, КДж/ч

здесь: С – коэффициент пропорциональности (для четырех тактного двигателя С = 0,45…0,53).

I – число цилиндров;

D – диаметр цилиндра, см

m – показатель степени (для четырех тактного двигателя m=0,6…0,7)

n – частота вращения вала двигателя, об/мин

α – коэффициент избытка воздуха;

ΔQ_н – количество теплоты, теряемое из-за неполноты сгорания топлива в связи с недостатком кислорода, КДж/кг

Для дизеля:

, КДж/ч

Q_газ – количество теплоты, теряемое с отработавшими газами

, КДж/ч

где:

G_т – часовой расход топлива, кг/ч;

М₂ М₁ – число молей продукта сгорания и свежего заряда, Кмоль_{св. зар.}/кг_топл

,  – мольные теплоёмкости газов, КДж/кмоль град

Т₂ Т₀ – температуры отработавших газов и свежего заряда, соответственно за выпускным патрубком и поступившего в цилиндр, град.

Q_нс – теплота не выделившаяся в двигателе в следствии неполноты сгорания.

При α≥1, Q_нс включают в Q_ост.

При α<1:  , КДж/ч

ΔQ_н – потеря теплоты из-за неполноты сгорания.

Q_ост – потери теплоты, неучтённые приведёнными членами уравнения баланса.

Q_ост – включает теплоту, рассеиваемую в окружающую среду.

 Тепловой баланс можно определить в процентах по отношению ко всему количеству теплоты.

,  ,    ,

,       .

Примерные значения составляющих тепловой баланса двигателя

На режиме полной нагрузки теплота расходуется более полезно.

Вам также может быть полезна лекция “1 Введение”.

С увеличением n увеличиваются потери с отработавшими газами q_газ.

Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя

Индикаторная диаграмма дизельного двигателя