Меню

Индикаторная мощность двигателя формула



ИНДИКАТОРНАЯ МОЩНОСТЬ

date image2014-02-24
views image3261

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Работа, совершаемая газами внутри всех цилиндров за единицу времени называется индикаторной мощностью. (По имени инженера Индикатора, который сконструировал прибор для снятия индикаторных диаграмм).

Для определения индикаторной мощности надо иметь: индикаторную диаграмму (или среднее индикаторное давление pi), частоту вращения вала двигателя (n), диаметр цилиндра (D), ход поршня (S), число цилиндров (z) и тактность (k).

СРЕДНЕЕ ИНДИКАТОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ.

Из термодинамики известно, что работа цикла пропорциональна площади, заключённой внутри его диаграммы. Значит, по площади диаграммы можно определить работу цикла, а по ней — мощность двигателя.

За полный рабочий цикл давление газов в цилиндре меняется от max до min, поэтому берут среднюю величину постоянного давления за цикл, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает ту же работу, что и фактическое переменное давление за весь рабочий цикл. Такую величину называют средним индикаторным давлением (pi).

Поскольку pi постоянное и действует на донышко поршня с площадью F, то работа за один ход поршня S составляет piFS. Согласно формулировке должно существовать равенство piFS = Lц

Графически pi можно найти двумя способами:

1. при наличии планиметра, находится полезная площадь цикла, делится на длину диаграммы и получается pi. На основании этих действий строится прямоугольник с основанием Vs и высотой pi, равновеликий по площади индикаторной диаграмме;

2. всю длину абциссы диаграммы делят на несколько равных частей; затем, из диаграммы, измерив отрезки ординат (y1, y2. yn) определяют среднее индикаторное давление по формулам:

p1, p2, pn — величины давлений по индикаторной диаграмме;

M — масштаб диаграммы;

m — масштаб ординат.

F — площадь диаграммы;

l — длинна диаграммы.

Если произвести расчёт работы, совершаемой в каждом процессе цикла, а затем алгебраически сложить их, то получим:

Величина действительного значения pi будет несколько меньше из-за скругления индикаторной диаграммы.

где φ — коэффициент полноты диаграммы.

Для 4-х тактных дизелей φ = 0.92-0.97

Для 2-х тактных дизелей φ = 1, т.к. отклонения действительного процесса от расчётного компенсируется положительной площадью b-m-a, неучтённой при расчётах (см. теоретический цикл, диаграмму 2-х тактного дизеля).

Среднее индикаторное давление зависит от ряда факторов, однако, основными из них являются количество и качество горючей смеси, подготовленного в цилиндре к началу горения. Отсюда следует, что увеличивая заряд рабочей смеси можно получить более высокое pi, а следовательно и мощность двигателя. Практически это осуществляется путём применения наддува воздуха в дизелях и рабочей смеси в карбюраторных ДВС. У современных дизелей pi составляет:

для двигателей без наддува pi=5,5-7,5 кГс/см²

для двигателей с наддувом pi=8.5-12,5 кГс/см²

Зная pi, находят работу (A) за один рабочий цикл в одном цилиндре:

Работа в цилиндре за единицу времени (1 минута):

где, k — коэффициент тактности, при этом для 2-х тактных ДВС k=1,

для 4-х тактных ДВС k=1/2.

Разделив всё на 60 секунд, получим формулу индикаторной мощности:

1/75 — перевод мощности в лошадиные силы (1 л.с.=75 кгм/сек=0,736 кВт).

Наиболее удобная формула для определения индикаторной мощности:

Ni = 52,3D 2 ∙ pi ∙ Cm ∙ i [и.л.с.]

Если мощность необходимо получить в кВт, в эту формулу значение pi подставляют в килопаскалях [КПа].

где, D — диаметр цилиндра [м];

pi — среднее индикаторное давление [кГ/см²];

Cm — средняя скорость поршня Cm=S∙n/30 [м/с];

i — число рабочих ходов за один оборот к.в. во всех цилиндрах двигателя, i=k∙z

где, k — коэффициент тактности;

z — число цилиндров двигателя.

Значение мощности ещё не характеризует тепловую и механическую напряжённость двигателя. Мощность можно увеличить за счёт размеров и числа цилиндров, но не беспредельно.

Читайте также:  Как найти работу без мощности

Источник

Индикаторная и эффективная мощности

Индикаторной мощностью N i называют мощность, развиваемую газами внутри цилиндра двигателя. Единицами измерения мощности являются лошадиные силы (л. с.) или киловатты (квт); 1 л. с. = 0,7355 квт.

Для определения индикаторной мощности двигателя необходимо знать среднее индикаторное давление p i т. е. такое условное постоянное по величине давление, которое, действуя на поршень в течение только одного такта сгорание—расширение, могло бы совершить работу, равную работе газов в цилиндре за весь цикл.

Это давление p i можно подсчитать по полезной площади индикаторной диаграммы (на рис. 1 и 2 она заштрихована). Для карбюраторных двигателей величина р i составляет 8—12 кг/см 2 , а для дизельных — 7,5—10,5 кг/см 2 .

Если известно p i, то индикаторную мощность четырехтактного двигателя можно выразить следующей формулой:

где p i — среднее индикаторное давление, кг/см 2 ;
V л — сумма рабочих объемов всех цилиндров (литраж) двигателя дм3 или л;
n — число оборотов коленчатого вала в минуту.

Литраж двигателя определяется по формуле:

где π — постоянное число, равное 3,14;
D — диаметр поршня, дм;
S — ход поршня, дм;
i — число цилиндров двигателя.

Эффективной мощностью N e называют мощность, получаемую на коленчатом валу двигателя. Она меньше индикаторной мощности N i на величину мощности, затрачиваемой на трение в двигателе (трение поршней о стенки цилиндров, шеек коленчатого вала о подшипники и др.) и приведение в действие вспомогательных механизмов (газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и топливного насосов, генератора и др.).

Для определения величины эффективной мощности двигателя можно воспользоваться приведенной выше формулой для индикаторной мощности, заменив в ней среднее индикаторное давление p i средним эффективным давлением р е (р е меньше p i на величину механических потерь в двигателе).

На практике эффективную мощность N е определяют путем испытания двигателя на тормозных стендах (электрических или гидравлических), пользуясь следующей формулой:

где М е — крутящий момент двигателя, кгм, равный произведению окружной силы на маховике на радиус маховика;
n — число оборотов коленчатого вала в минуту.

Эффективная мощность повышается с увеличением крутящего момента и числа оборотов коленчатого вала (до некоторого предела).

Эффективная мощность и крутящий момент тем больше, чем больше:

  1. литраж двигателя (т. е. диаметр и число цилиндров, длина хода поршня);
  2. наполнение цилиндров, которое повышается при усовершенствовании камер сгорания, уменьшении сопротивления впускной и выпускной систем, снижении подогрева горючей смеси, установке многокамерных карбюраторов и общем улучшении конструкции двигателя;
  3. степень сжатия, так как при ее повышении увеличивается скорость горения рабочей смеси, повышается температура и давление газов в начале такта сгорание — расширение, уменьшается количество тепла, уходящего с отработавшими газами и охлаждающей жидкостью.

Предельные значения степени сжатия ограничиваются свойствами применяемого топлива — октановым числом бензина.

Эффективная мощность изменяется с изменением угла опережения зажигания. Наивыгоднейшая величина этого угла зависит от числа оборотов коленчатого вала, нагрузки двигателя, сорта топлива и состава смеси.

Эффективная мощность тем больше, чем меньше потери на трение в двигателе и приведение в действие вспомогательных механизмов двигателя.

Литровой мощностью называют наибольшую эффективную мощность, получаемую с одного литра рабочего объема цилиндров двигателя.

Литровая мощность карбюраторных двигателей современных легковых автомобилей достигает 40—50 л. c. / л.

Одним из способов повышения, эффективной мощности двигателя без существенного увеличения его веса является наддув. Так, Ярославский моторный завод производит V-образные четырехтактные дизельные двигатели с турбонаддувом: 8-цилиндровые ЯМЗ-238Н (300—320 л. с.) и 12-цилиндровые ЯМЗ-240Н (500—520 л. с.).

Читайте также:  Sm b100 с регулятором мощности

Статья из книги «Устройство грузового автомобиля». Читайте также другие статьи из

Источник

Основы теплотехники

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 φi . Значения коэффициента скругления в зависимости от типа четырехтактного двигателя могут принимать значения от 0,92 до 0,97.

индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя

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 Ni ;
  • среднее индикаторное давление pi ;
  • индикаторный КПД ηi ;
  • удельный индикаторный расход топлива gi .

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:

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

Тогда можно записать:

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 pi 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:

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 φi индикаторной диаграммы:

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

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

Индикаторная мощность

Индикаторная мощность Ni – 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:

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:

Индикаторный КПД

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

Читайте также:  Как определить сечение провода по мощности двигателя

где Gтц – цикловая подача топлива; Hи – 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 ηi . 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 ηo :

Индикаторный удельный расход топлива

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

где Gт – часовой расход топлива.

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

Из уравнения (6) получим:

Подставив это выражение в уравнение (2), получим:

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

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.

факторы, влияющие на индикаторные показатели двигателя

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 α 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.

Источник