Эффективные показатели работы двигателя эффективная мощность

Индикаторная, эффективная мощность и другие показатели автомобильного двигателя

Основными показателями автомобильного двигателя является его мощность, крутящий момент, количество оборотов коленчатого вала, КПД.

Мощность двигателя

Что касается мощности двигателя, то есть наиболее часто применяемой характеристики двигателя, то следует различать так называемую «индикаторную» мощность и «эффективную» мощность.

Индикаторной называется мощность, которую развивают газы внутри цилиндров, во время работы двигателя, а эффективной является мощность, которая образуется на коленчатом валу двигателя и передается трансмиссии.

Как известно, в автомобильном двигателе за время рабочего цикла, энергия топлива переходит в тепловую энергию, а затем в механическую. Работа по преобразованию одного вида энергии (химической) в другую (тепловую), выполненная за цикл, называется индикаторной работой. В свою очередь, индикаторная работа, выполненная за одну секунду, называется индикаторной мощностью двигателя.

Индикаторная мощность двигателя всегда пропорциональна его литражу, числу оборотов коленвала и среднему индикаторному давлению, то есть такому условному среднему давлению, которое воздействуя на поршень в течение лишь одного такта расширения, может выполнить работу, равную работе газов выполненных за весь цикл. Определяют это давление с помощью специальных приборов, устанавливаемых на двигатель и регистрирующих давление в цилиндрах во время всех четырех циклов работы.

Эффективная мощность двигателя всегда меньше, чем индикаторная. Это связано с механическими потерями в двигателе на трение поршней, шеек коленвала, затратами энергии на работу газораспределительного механизма, генератора, вентилятора охлаждения, топливного и водяного насоса и так далее.

От величины этих потерь зависит механический КПД (коэффициент полезного действия) двигателя. Собственно говоря, КПД определяет соотношение эффективной мощности двигателя к индикаторной. В современных двигателях эта величина может достигать 0,9 и более. Практически эффективную мощность двигателя определяют, как правило, на специальных стендах.

Крутящим моментом или моментом силы называется векторная величина, равная произведению силы, которая вращает коленвал, на радиус кривошипа.

Эффективная мощность двигателя не остается постоянной, а может изменяться в зависимости от оборотов коленвала.

При увеличении оборотов мощность увеличивается, но только до определенного предела. При дальнейшем росте числа оборотов мощность двигателя уменьшается, так как цилиндры не успевают наполняться необходимым количеством горючей смеси, топливо не успевает сгорать полностью, а также возрастают потери на трение деталей. Также, с изменением частоты оборотов коленвала, кроме мощности двигателя изменяются и другие его показатели, такие как крутящий момент и удельный расход топлива (расход топлива за определенный период времени).

Видео: от чего зависит мощность двигателя.

На величину основных показателей автомобильных двигателей влияют и эксплуатационные факторы, такие как техническое состояние самого двигателя, качество применяемого топлива, состояние приборов системы питания и зажигания, а также другие факторы.

Технико-экономические показатели работы двигателей

Как известно, мощность — это работа, совершенная в единицу времени. Кроме эффективной мощности для оценки технико-экономической эффективности двигателей используют индикаторную мощность Ni.

Индикаторная мощность — это мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя.

Эффективная мощность меньше индикаторной вследствие того, что часть последней затрачивается на преодоление механических потерь в двигателе:

Мощность механических потерь Nm учитывает затраты части индикаторной мощности на преодоление сопротивлений трения движущихся деталей и приведение в действие вспомогательных устройств двигателя — масляного и водяного насосов, вентилятора, генератора, топливного насоса и др.

Механический коэффициент полезного действия двигателя (КПД) — отношение эффективной мощности к индикаторной:

При работе на номинальном режиме, т. е. при полном использовании мощности Ne, КПД автотракторных двигателей составляет 0,75…0,88. У дизелей КПД меньше, чем у карбюраторных двигателей, так как из-за более высокой степени сжатия выше затраты мощности на трение движущихся деталей.

Массу топлива, расходуемую двигателем при определенной загрузке в течение 1 ч, называют часовым расходом топлива GT (кг/ч). Топливную экономичность различных двигателей оценивают по удельному расходу топлива ge (г/(кВт-ч)), под которым подразумевают массу топлива в граммах, расходуемую за 1 ч на создание единицы эффективной мощности:

Номинальное значение ge современных автотракторных четырехтактных карбюраторных двигателей находится в пределах 280…300 г/(кВт-ч), а у дизелей — в пределах 220…260 г/(кВт-ч), т. е. дизели более экономичные, чем карбюраторные двигатели, за счет более высокой степени сжатия. Чем выше степень сжатия, тем экономичнее двигатель.

Применение на ряде современных бензиновых двигателей вместо карбюратора системы с впрыском топлива во всасывающий коллектор или непосредственно в цилиндр обеспечивает снижение ge по сравнению с карбюраторными двигателями. Наименее экономичными являются двухтактные двигатели, так как у них цилиндры продуваются горючей смесью, из-за чего часть ее уходит с отработавшими газами. Кроме того, их цилиндры хуже очищаются от продуктов сгорания.

Эффективность работы различных двигателей сравнивают не только по топливной экономичности, но и по литровой мощности и удельной массе.

Литровая мощность Nл — это отношение эффективной мощности Ne к рабочему объему двигателя, показывающее, насколько эффективно используется рабочий объем. Чем больше литровая мощность при других равных условиях, тем меньше габаритные размеры и масса двигателя. У тракторных дизелей Nл = 11…20 кВт/л.

Современная тенденция развития автотракторных двигателей характеризуется увеличением их полной эффективной и литровой мощностей, снижением удельного расхода топлива и масел, уменьшением металлоемкости и токсичности выбросов отработавших газов, повышением надежности и долговечности. Этим объясняется широкое применение дизелей с турбонаддувом, имеющим промежуточное охлаждение воздуха, поступающего в цилиндры, для повышения наполнения их воздухом. Многие зарубежные бензиновые двигатели вместо карбюраторов оснащают системой впрыска топлива, работающей в автоматическом режиме совместно с системой зажигания, что обеспечивает оптимальный режим работы обеих систем, повышение мощности и снижение расхода топлива, а также уменьшение токсичности выбросов отработавших газов. Такие «инжекторные» двигатели устанавливают и на некоторых отечественных легковых автомобилях.

Технико-экономические показатели двигателей определяют на специальных обкаточно-тормозных стендах, на которых замеряют загрузку двигателя и частоту вращения его коленчатого вала. По загрузке (показанию силоизмерительного механизма) определяют вращающий момент двигателя Мвр (Нм) как произведение силы на плечо ее приложения относительно оси вращения коленчатого вала. Частоту вращения этого вала n (мин-1) замеряют тахометром. Эффективную мощность двигателя рассчитывают по формуле:

Технико-экономические показатели при различных режимах работы (частоте вращения и нагрузке) оценивают по характеристикам. Характеристики — это графические выражения зависимости одного или нескольких показателей работы двигателя от другого независимого показателя. Характеристики строят по результатам испытаний двигателя на тормозном стенде.

Наиболее эффективно двигатель работает на режиме максимальной мощности. Частоту вращения коленчатого вала и вращающий момент двигателя на этом режиме называют номинальными. Недогрузка двигателя существенно влияет на производительность и топливную экономичность тракторов и автомобилей. Так, удельный расход топлива интенсивно растет при уменьшении Ne от максимального значения до нуля.

Основные показатели работы двигателя. Прямые и косвенные признаки, дающие возможность определить качество работы двигателя на слух и визуально.

Основные показатели работы двигателя. К ним относят мощность, экономичность и коэффициент полезного действия (КПД|Ш

Большая часть тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, превращается в механическую. Сила давления газов, действующая на поршень, передается через шатун на кривошип, создавая вращающий момент на коленчатом валу двигателя. .

Мощность — это работа, выполненная в единицу времени. Единица измерения мощности двигателя трактора — киловатт (кВт). Различают индикаторную и эффективную мощность дви­гателя.

Индикаторная мощность — это мощность, развиваемая сгора­ющими газами внутри цилиндра работающего двигателя.

Эффективная мощность — мощность, получаемая на коленча­том валу двигателя. За счет тепловых потерь и затрат на работу эф­фективная мощность меньше индикаторной на 20. 30% (мощ­ность затрачивается на преодоление сил трения в механизмах дви­гателя и приведение в действие вспомогательных устройств — на­сосов, вентилятора, генератора и др.). На повышение мощности двигателя могут влиять увеличение эффективного давления газов в цилиндре, литраж, частота вращения коленчатого вала, это сле­дует из формулы эффективной мощности двигателя

#_в = /Л»(30т), где р_е— эффективное давление газов (для четырехтактных дизе­лей р_е= 0,5. 0,8 МПа); V„— литраж, л; п —частота вращения ко­ленчатого вала, с» 1 ; т — тактность двигателя (число ходов поршня, за которые совершается рабочий цикл; для четырехтактных дви­гателей т = 4, для двухтактных т = 2).

Из формулы эффективной мощности двигателя видно, что при неизменных ъир_е она зависит от литража и частоты вращения ко­ленчатого вала. С увеличением литража увеличиваются размеры двигателя. Чем выше тяговый класс трактора, тем больше литраж его двигателя, имеющего большую мощность.

Экономичность работы двигателя характеризуется удельным расходом топлива, который определяют делением часового рас­хода топлива на эффективную мощность двигателя. Удельный расход топлива в дизелях, применяемых на тракторах, не более 265 г/(кВтч). При изношенных, разрегулированных или недоста­точно смазанных трущихся деталях мощность уменьшается и эко­номичность снижается.

Механический КПД двигателя — отношение эффективной мощ­ности к индикаторной — зависит в основном от качества обработ­ки деталей,/смазывания трущихся деталей и правильности сборки двигателя. В среднем значения механического КПД колеблются в пределах 0,7. 0,8.

Общее устройство дизелей. Все дизели, устанавливаемые на трак­тор, состоят из механизмов и систем, выполняющих определен-t ные функции, в частности:

кривошипно-шатунный механизм преобразует пря­молинейное движение поршней во вращательное движение колен­чатого вала;

механизм газораспределения управляет работой кла­панов, что позволяет в определенных положениях поршня впус­кать воздух в цилиндры и удалять оттуда отработавшие газы;

система питания обеспечивает подачу в определенный момент воздуха и отмеренных порций топлива в распыленном со­стоянии в цилиндры двигателя;

смазочная система необходима для непрерывной пода­чи масла к трущимся деталям и отвода от них теплоты;

система охлаждения предохраняет стенки камеры сго­рания и детали дизеля от перегрева и поддерживает в них нормаль­ный тепловой режим;

система пуска нужна для проворачивания коленчатого вала с определенной частотой вращения во время пуска. Расположение основных агрегатов систем на тракторном дизе­ле Д-243 показано на рис. 6.

3.7. Эффективные показатели двс

Часть индикаторной мощности, развиваемой продуктами сгорания, расходуется в самом двигателе и не может быть использована, т.к. эта мощность тратится на обеспечение работы двигателя. Эта мощность называется мощностью механических потерь и слагается из следующих:

N_тр – потери мощности на трение, которые составляют бóльшую часть механических потерь. Эти потери вызываются трением во всех сопряженных парах: поршневые кольца – цилиндр, шейки распределительного и коленчатого валов – подшипники и т.д. К возрастанию потерь индикаторной мощности приводит также ухудшение технического состояния двигателя, нарушение нормальной работы систем смазки и охлаждения и т.д.

N_нас – потери мощности на совершение насосных ходов – в двухтактных двигателях отсутствуют.

N_всп – потери мощности на привод навешенных механизмов двигателя, без которых работа двигателя невозможна – это потери на привод регулятора частоты вращения, топливного, масляного и водяного насосов, воздушного компрессора (если он приводится в действие от двигателя).

N_вент – потери мощности на вентиляцию – учитывают расход мощности на трение между движущимися деталями и воздухом. Эта потеря растет с увеличением частоты вращения двигателя.

Очевидно, что механические потери должны представлять сумму перечисленных потерь, т.е.

N_м=N_тр + N_нас + N_всп + N_вент. (8)

Механические потери оцениваются также средним давлением механических потерь р_м и механическим КПД η_м.

р_м – условное постоянное давление, на преодоление действия которого на поршень в течение одного хода затрачивалась бы работа, равная работе механических потерь одного цикла.

После рассмотрения механических потерь целесообразно перейти к эффективным показателям ДВС, к которым относятся среднее эффективное давление р_е, эффективная мощность N_е, эффективный КПД η_е, и удельный эффективный расход топлива b_е.

Средним эффективным давлением р_е называется среднее условное постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее работу, эквивалентную полезной эффективной работе, передаваемой через выходной фланец коленвала на винт или другой потребитель.

Из выше приведенного в этом параграфе материала следует, что среднее эффективное давление должно учитывать кроме тепловых все механические потери и должно определяться формулой

р_е = р_i – р_м. (9)

Эффективная мощность, так же как и р_е, учитывает тепловые и механические потери. Поэтому

N_е = N_i – N_м. (10)

Для перехода от N_i к N_е используется механический КПД η_м, значение которого является паспортной величиной двигателя и по результатам стендовых испытаний известно для всех основных режимов

N_е = N_i η_м. (11)

По аналогии с N_i формула для определения N_е выглядит следующим образом:

. (12)

Также по аналогии с индикаторным КПД

, (13)

где – удельный эффективный расход топлива в кг/кВт·ч.

Между рассмотренными КПД двигателей существует зависимость

. (14)

Следует отметить, что если b_i и N_i являются расчетными величинами, b_е и N_е определяются непосредственными измерениями. Опытные значения удельного эффективного расхода топлива и эффективного КПД приведены в таблице 1.