Эффективные показатели работы двигателя это кратко

Обновлено: 05.07.2024

Индикаторная работа, совершаемая газами в цилиндрах двигателя, не может быть использована полностью, так как часть ее затрачивается на внутренние механические потери в двигателе. К ним относятся:

• потери на трение между движущимися деталями кривошипно-шатунного и распределительного механизмов, других систем двигателя;

• потери на трение движущихся деталей о воздух;

• потери на привод устройств и агрегатов двигателя: топливного, масляного и водяного насосов, вентилятора, генератора, распределителя и др.;

• насосные потери при очистке воздуха и газообмене.

Таким образом, полезно используется только часть индикаторной работы. Это эффективная работа, так как она определяет конечную эффективность двигателя.

Действительная эффективность двигателя характеризуется следующими показателями, аналогичными индикаторным показателям, которые определяются на выходе двигателя, т.е. на его маховике: эффективной мощностью N_e, средним эффективным давлением P_е механическим КПД ƞ_м; эффективным КПД ƞ_е; удельным эффективным расходом топлива g_e.

Эффективная мощность, кВт, представляет собой разность между индикаторной мощностью N_i, развиваемой газами в цилиндрах двигателя, и суммарной мощностью N_м механических потерь:

Работа газов в цилиндрах двигателя выражается через среднее индикаторное давление р _i Если механические потери выразить через часть среднего индикаторного давления, идущего на преодоление этих потерь, то среднее эффективное давление представляет собой разность между средним индикаторным давлением и средним давлением потерь.

Среднее эффективное давление — это условное постоянное по величине давление газов в цилиндрах двигателя, совершающих работу за один ход поршня из ВМТ до НМТ, равную эффективной работе за цикл:

где P_м — среднее давление механических потерь, МПа.

Эффективная мощность, кВт, и среднее эффективное давление, МПа, связаны между собой зависимостью, аналогичной зависимости между индикаторными показателями:

Механический КПД двигателя ƞ_м — это отношение эффективной мощности на маховике двигателя к индикаторной мощности, или отношение среднего эффективного давления к среднему индикаторному давлению, что характеризует механические потери в двигателе:

т.е. механический КПД повышается при постоянстве механических потерь Pм = const и увеличении индикаторной мощности N_i (среднего индикаторного давления P_i).

При работе двигателя с разными частотами вращения коленчатого вала среднее давление механических потерь P_м зависит от изменения работы трения в механизмах и системах двигателя и изменения насосных потерь. Поэтому с увеличением скорости вращения коленчатого вала давление механических потерь растет, а механический КПД падает.

На основании опытных данных установлены эмпирические зависимости среднего давления, МПа, механических потерь от частоты вращения коленчатого вала n, мин -1 :

P_м = 0,092 + 0,0001n;

для бензиновых двигателей

P_м = 0,035 + 0,00005n;

Эффективный КПД двигателей — это отношение эффективной работы, кДж/ч, на маховике двигателя к количеству теплоты, кДж/кг, полученной при сгорании топлива:

где L_e — эффективная работа, кДж, полученная при сгорании топлива в течение 1 ч; G_Т — часовой расход топлива, кг; h_u — теплота сгорания 1 кг топлива, кДж. Подставив L_e = P_eV_h = P_iƞ_mV_h, получим

Таким образом, эффективным КПД учитываются тепловые ƞ_i , и механические ƞ_m потери ДВС. Для повышения эффективного КПД необходимо повышать ƞ_i, совершенствуя рабочий процесс, и уменьшать ƞ_m , совершенствуя конструкцию и качество изготовления ДВС.

Аналогично удельному индикаторному расходу топлива определяется удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ч):

Таблица 2.4

Значения эффективных показателей четырехтактного ДВС

Дизель: без наддува

Значения эффективных показателей четырехтактного ДВС приведены
в табл. 2.4.

Для увеличения эффективного КПД ƞ _e прежде всего необходимо увеличить индикаторный КПД ƞ _i . Это достигается обеспечением оптимального коэффициента избытка воздуха α . В бензиновых ДВС максимальный ƞ _i , достигается при α – 1,03… 1,05, а в дизельных ДВС — при α = 1,30… 1,35. При меньших значениях а у дизелей из-за худшего смесеобразования, по сравнению с бензиновыми ДВС, появляется дымный выхлоп. Поэтому для обеспечения указанного значения а применяются наддув и промежуточное охлаждение
наддувного воздуха для повышения коэффициента наполнения ƞ _v .

Газотурбинный наддув с помощью турбокомпрессора, который под давлением подает воздух в цилиндры, широко применяется на двигателях. Турбокомпрессор, состоящий из радиальной центростремительной турбины и центробежного компрессора, устанавливается на выпускной системе двигателя. На номинальной
мощности турбокомпрессор может обеспечить степень повышения давления до λ = 2,5. Топливная аппаратура дизеля с турбонаддувом регулируется на увеличенную цикловую подачу топлива. Дальнейшее совершенствование двигателей посредством наддува идет в основном по пути увеличения степени повышения давления, создания двигателя с характеристикой постоянной мощности, у которого вращающий момент имеет высокий коэффициент
приспособляемости (1,4…2,0). Это достигается настройкой турбокомпрессора на режим максимального вращающего момента, применением регулируемых турбокомпрессоров, специального корректора цикловой подачи, охлаждением наддувного воздуха.

Общая эффективность ДВС в большой степени характеризуется удельными показателями, например литровой мощностью.

Литровая мощность — это мощность N_л получаемая с единицы
рабочего объема цилиндров V_h, кВт/л:

От значения N_л зависят габаритные размеры ДВС. Увеличивая частоту вращения коленчатого вала, что приводит к росту литровой мощности, следует обеспечить оптимальное значение коэффициентов ƞ _v , и ƞ_m .

Чтобы коэффициенты ƞ _v и ƞ_m не снижались при увеличении числа оборотов n, следует увеличивать фазу (угол) впуска свежего заряда и фазу выпуска отработавших газов, увеличивать проходные сечения клапанов (повысится ƞ _v ) и снижать средние скорости движения поршней. Снижение скорости движения поршней достигается путем уменьшения хода поршней и увеличения диаметра цилиндров. Рациональными мероприятиями для увеличения литровой мощности являются наддув дизелей и бензиновых ДВС, при котором давление и температура заряда в конце сжатия повышаются; повышение степени сжатия е бензиновых ДВС; применение непосредственного впрыска бензина и электронного зажигания. Наибольший эффект достигается применением наддува в дизелях. Это позволяет значительно увеличить литровую мощность дизеля.

Основными конструктивными параметрами двигателя внутреннего сгорания являются диаметр цилиндра D_u, см, и ход поршня S, см, определяющие рабочий объем двигателя, от которого в значительной мере зависит эффективность рабочего цикла, а также размеры, масса, компоновка и стоимость двигателя в целом. Большое значение имеет обоснованный выбор отношения хода поршня к диаметру цилиндра У современных двигателеи величина Ψ находится в пределах 0,8… 1,3. При этом меньшие значения Ψ характерны для бензиновых двигателей, а большие — для дизелей. При известном значении у ход поршня S =ΨD_u.

Исходными зависимостями при определении диаметра цилиндра D_u см, и хода поршня S, см, являются рабочий объем V_h л (дм 3 ), и эффективная мощность двигателя N_е, кВт:

Решение этих уравнений относительно D_u, дм, дает

где τ — число тактов за рабочий цикл (тактность); P_е— среднее эффективное давление, МПа; i — число цилиндров; n — частота вращения коленчатого вала, мин -1 .

Эффективные показатели характеризуют работу двигателя, передаваемую потребителю. К числу эффективных показателей относят эффективную мощность, эффективный крутящий момент, удельный эффективный расход топлива, эффективный КПД и среднее эффективное давление.

Эффективные показатели двигателя формируются при совместном воздействии на них индикаторных и механических показателей.

Рассмотрим влияние различных факторов на эффективные показатели двигателя.

Среднее давление механических потерь ры уменьшается при выполнении следующих требований:

1) выбор оптимальных температурных параметров системы охлаждения и их поддержание в эксплуатации на всех режимах работы двигателя;

2) формирование рациональной конструкции двигателя и его

использование минимального количества поршневых колец;

обеспечение при проектировании и производстве требуемых жесткости и формы, а также качества поверхностей деталей трущихся пар;

обеспечение надежного жидкостного трения трущихся пар за счет согласования соответствующих параметров системы смазывания, трущихся пар и смазочного масла;

оптимизация производительности в зависимости от режима работы двигателя, его вспомогательных механизмов и агрегатов (жидкостного и масляного насосов, вентилятора и т.п.);

выбор конструкции, размеров впускной и выпускной систем для минимизации потерь на газообмен, а также обеспечение в эксплуатации неизменного их сопротивления;

3) выбор современных материалов и технологий изготовления деталей для улучшения смазывания трущихся пар в целях повышения долговечности и снижения потерь на трение;

4) подбор качественного смазочного материала, который при минимально возможной вязкости, жидкостном трении и приемлемом угаре обеспечивает надежную работу двигателя в течение длительного срока службы;

5) оптимизация типа, размеров, частоты вращения и характеристик компрессора под заданные расход газа и степень повышения давления во всем диапазоне режимов работы двигателя путем регулирования, например, на малых нагрузках — перепуская часть воздуха или изменяя частоту вращения компрессора;

6) переход в дизелях от разделенных к неразделенным (одно-полостным) камерам сгорания для исключения газодинамических потерь на перетекание заряда.

На рис. 4.3 представлено изменение основных индикаторных и эффективных показателей двигателей в зависимости от частоты вращения. Значения индикаторных и эффективных показателей автотракторных четырехтактных двигателей для номинального режима приведены в табл. 4.1. Литровая мощность современных двигателей легковых автомобилей для двигателей с искровым зажиганием приближается к 65 кВт/л, а для дизелей с наддувом — к 40 кВт/л.

Что такое мощность двигателя, крутящий момент и удельный расход топлива

Изобретенный более 100 лет назад поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), на сегодняшний день все еще является самым распространенным в автомобилестроении. При выборе модели двигателя своего будущего автомобиля покупатель может предварительно ознакомиться с его основными характеристиками. В этой статье мы подробно расскажем об основных показателях двигателей внутреннего сгорания, что они собой представляют и как влияют на работу.

Основные показатели двигателя

Сгорание топлива происходит внутри ДВС, в специальной камере цилиндра. Это приводит в движение поршень, который, совершая циклические возвратно-поступательные движения, проворачивает коленчатый вал. Таков упрощенный принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Основные характеристики ДВС можно оценить тремя основными показателями:

мощность двигателя;
крутящий момент;
расход топлива.

Основные показатели ДВС

Рассмотрим более подробно каждый из этих показателей.

Что такое мощность двигателя

Под мощностью следует понимать физическую величину, которая показывает совершаемую двигателем работу за единицу времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения коленчатого вала. Обычно она указывается в лошадиных силах (л.с.), но встречается измерение и в кВт.

Если же конвертировать мощность 1 лошадиной силы в киловатты (в промышленности или энергетике), то она будет примерно равна 0,746 кВт. Понятие лошадиная сила не входит в международную систему измерений (СИ), поэтому измерение мощности в кВт будет более правильным.

Чем больше мощность, тем большую скорость сможет развить автомобиль.

Виды мощности

Для определения характеристик двигателя применяют такие понятия мощности как:

Индикаторной называют мощность, с которой газы давят на поршень. То есть, не учитываются никакие другие факторы, а только давление газов в момент их сгорания. Эффективная мощность, эта та сила, которая передается коленчатому валу и трансмиссии. Индикаторная будет пропорциональной литражу двигателя и среднему давлению газов на поршень.

Эффективная мощность двигателя будет всегда ниже индикаторной.

Также есть параметр, называемый литровой мощность двигателя. Это соотношение объема двигателя к его максимальной мощности. Для бензиновых моторов литровая мощность составляет в среднем 30-45 кВт/л, а у дизельных – 10-15 кВт/л.

Как узнать мощность двигателя автомобиля

Конечно, значение можно посмотреть в документах на машину, но иногда требуется узнать мощность автомобиля, который подвергался тюнингу или давно находится в эксплуатации. В таких случаях не обойтись без динамометрического стенда. Его можно найти в специализированных организациях и на станциях техобслуживания. Колеса автомобиля помещаются между барабанами, создающими сопротивление вращению. Далее имитируется движение с разной нагрузкой. Компьютер сам определит мощность двигателя. Для более точного результата может понадобиться несколько попыток.

Что такое крутящий момент

Крутящий момент двигателя рассчитывается по формуле: M = F*R, где F – это сила, с которой давит поршень, R – длина плеча (рычага). В нашем случае плечом будет расстояние от оси вращения коленчатого вала до места крепления шатунной шейки. Этот параметр измеряется в ньютонах на метр (Hм). 1H соответствует 0,1 кг, который давит на конец рычага длиной в метр.

Крутящий момент ДВС характеризует показатель силы вращения коленчатого вала и определяет динамику разгона автомобиля.

Что такое расход (удельный расход) топлива

Удельный расход топлива двигателя – это количество топлива, затрачиваемое для производства определенного количества энергии. Чем расход ниже, тем рациональнее будет использоваться топливо. Расход связан с эффективностью двигателя. Один двигатель может иметь разный расход топлива в зависимости от скорости и нагрузки.

Внешняя скоростная характеристика (ВСХ)

Внешняя скоростная характеристика двигателя показывает зависимость мощности, расхода топлива и крутящего момента от числа оборотов коленвала. Все эти параметры показываются графически в виде кривых.

Внешняя скоростная характеристика

На рисунке можно видеть кривые с обозначениями Pe – мощность двигателя, Mе – крутящий момент, ge – удельный расход топлива. Как видно, с ростом числа оборотов и мощности увеличивается расход топлива. Крутящий момент растет до определенного уровня, а затем идет на спад. В точке, где наиболее эффективный крутящий момент и мощность двигателя, будет самый оптимальный показатель расхода топлива.

Внешняя скоростная характеристика дает оценку динамическим характеристикам автомобиля, определяет КПД и топливный расход при разных параметрах.

Высокий крутящий момент на более низких оборотах увеличивает тяговую силу агрегата, грузоподъемность и проходимость.

Роль мощности и крутящего момента двигателя

Для обеспечения лучших динамических показателей двигателя, производители стараются наделить силовой агрегат максимальным крутящим моментом, который будет достигаться в более широком значении оборотов двигателя.

Чтобы правильно оценить роль этих двух понятий, стоит обратить внимание на следующие факты:

Взаимосвязь мощности и крутящего момента можно выразить в формуле: P = 2П*M*n, где Р – это мощность, M – показатель крутящего момента, а n – количество оборотов коленвала в единицу времени.
Крутящий момент более конкретный показатель характеристики двигателя. Низкий крутящий момент (даже при высокой мощности) не позволит реализовать потенциал двигателя: имея возможность разогнаться до высокой скорости, автомобиль будет достигать этой скорости невероятно долго.
Мощность двигателя будет возрастать с повышением оборотов: чем выше, тем больше мощность, но до определенных пределов.
Крутящий момент увеличивается с повышением количества оборотов, но при достижении максимального значения показатели крутящего момента снижаются.
При равных показателях мощности и крутящего момента более эффективным будет двигатель с меньшим расходом топлива.

Эффективные показатели двигателя

Эффективные показатели характеризуют работу двигателя и отличаются от индикаторных показателей на величину механических потерь.

2.8.1 Давление механических потерь

К механическим потерям относятся все потери на преодоление различных сопротивлений, таких как трение, привод вспомогательных механизмов, газообмен, привод компрессора.

Давление механических потерь – это условное давление, равное отношению работы механических потерь к рабочему объёму цилиндра двигателя. Величину давления механических потерь в МПа оценивают по средней скорости поршня по формуле:

где и – экспериментальные коэффициенты, величины которых приведены в таблице 2.9;

– средняя скорость поршня в м/с, которая для различных типов двигателей выбирается в следующих пределах:

— карбюраторные двигатели легковых автомобилей 12…20;

— карбюраторные двигатели грузовых автомобилей 9…16;

— дизельные двигатели 7…13.

Таблица 2.9 – Значения коэффициентов и

Тип двигателя
Карбюраторный с числом цилиндров (i ≥ 8) и отношением хода поршня к его диаметру (S/D ≤ 1,0)	0,039	0,0132
Карбюраторный с числом цилиндров (i ≤ 6) и отношением хода поршня к его диаметру (S/D ≤ 1,0)	0,034	0,0113
Карбюраторный с числом цилиндров (i ≤ 6) и отношением хода поршня к его диаметру (S/D > 1,0)	0,049	0,0152
Дизельный: — с неразделёнными камерами — с разделёнными камерами	0,089 0,105	0,0118 0,0138

2.8.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление в МПа определяется по формуле

2.8.3 Механический КПД

Механический КПД определяется по формуле

2.8.4 Эффективный КПД

Отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесённой в двигатель с топливом, называется эффективным КПД , который определяется по формуле:

2.8.5 Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива в г/(кВт·ч) определяется по формуле:

Рассчитанные эффективные показатели двигателя необходимо сравнить со значениями этих показателей современных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.10.