Показатели, характеризующие работу двигателя

Работа двигателя оценивается рядом индикаторных, эффективных и удельных показателей.

К индикаторным показателям относятся: индикаторные работа, мощность, теоретическое и действительное средние давления.



Индикаторная работа L_i (рис. 71) (измеряется в МДж) вычисляется по формуле:

L_i = m(F₁ — F₂),

где m — масштаб индикаторной диаграммы цикла (количество единиц работы на единицу площади диаграммы), F₁ — площадь индикаторной диаграммы между линиями сжатия и расширения (полезная), F₂ — площадь индикаторной диаграммы между линиями выпуска и впуска (потери на газообмен).

На индикаторной диаграмме указаны следующие характерные точки: а — конец основного впуска, a' — закрытия впускного клапана, b — конец процесса расширения, b' — начала открывания выпускного клапана, с — конец процесса сжатия, с' — начало горения рабочей смеси, с' — конец такта сжатия, r — конец процесса выпуска, z' — точка, соответствующая максимальному давлению газов в цилиндре, zz' — период медленного нарастания давления (соответствует сгоранию теоретического цикла при постоянном давлении), линия ас — процесс сжатия, линия zb — процесс расширения, линия br — процесс выпуска, линия cz' — процесс сгорания, 1, 2, 3, 4 — площади округления индикаторной диаграммы.



Теоретическое среднее индикаторное давление р'_i — это условное постоянное давление на поршень в течение одного рабочего цикла, которое совершает работу, равную индикаторной за весь цикл. Оно вычисляется по формуле (измеряется в МПа):

р'_i = 10^-4L_i/V_h,

где V_h=V_a—V_c — рабочий объем цилиндра, и равно полезной площади индикаторной диаграммы (р₁ — среднее давление при сжатии, р₂ — среднее давление при сгорании и расширении).

Также справедлива формула:



где n₁ — показатель политропы при сжатии, n₂ — при расширении, ε — степень сжатия.

Действительное среднее индикаторное давление цикла р_i несколько меньше, чем теоретическое за счет наносных потерь при впуске и выпуске; площадь полезной индикаторной диаграммы меньше, чем площадь теоретической за счет скруглений (линия сжатия в линию сгорания, а линия расширения в линию выпуска переходят более плавно, чем на теоретической диаграмме, действительное максимальное давление несколько меньше теоретического).

Действительное среднее индикаторное давление равно (измеряется в МПа):

p_i = μ(р'_i—Δp_i),

где Δp_i=p_r—р_а, p_r — давление в конце выпуска, р_а — давление в конце впуска, μ — коэффициент полноты диаграммы (равен отношению площадей действительной и теоретической диаграмм, обычно равен 0,92—0,96).



Наносным потерям соответствует площадь 4 на индикаторной диаграмме между линиями впуска и выпуска (рис. 71).

У карбюраторных двигателей действительное среднее индикаторное давление (номинал 1,1—1,3 МПа) выше, чем у дизелей (номинал 0,9—1 МПа). В режиме холостого хода давление p_i не превышает 0,05—0,1 МПа (для грузовых автомобилей больше, чем для легковых).

Индикаторная мощность N_i — это полезная работа, совершенная газами в единицу времени в цилиндрах двигателя. Она вычисляется по следующей формуле (измеряется в Вт):



где произведение p_iV_h=L_i это индикаторная работа, которая совершается за один цикл в одном цилиндре, 2n_e/τ — число рабочих ходов, τ — число ходов за один рабочий цикл (тактность двигателя), n_e — частота вращения коленчатого вала в секунду, i — количество цилиндров в двигателе.

Если частота вращения коленчатого вала измеряется в об/мин, то мощность может быть выражена в кВт следующим образом:



(т. к. в четырехтактном одноцилиндровом двигателе за 1 секунду происходит n_e/120 циклов).



К эффективным показателям относятся: эффективные мощность, крутящий момент, среднее давление, литровая мощность.

Эффективная мощность N_e — мощность, получаемая на коленчатом вале двигателя, она вычисляется по формуле, кВт:

N_e = M_en_e/9554,

где M_e — эффективный крутящий момент двигателя.

Эффективная мощность меньше, чем индикаторная, на величину 7V*, являющуюся мощностью механических потерь (наносные потери, трение в газораспределительном механизме, при приведении в действие жидкостного насоса, вентилятора и т.п.)

эффективный крутящий момент М_е — это суммарный момент сил, действующих на все шатунные шейки коленчатого вала. Он равен (измеряется в Н·м):

М_e = 9554N_e/n.

Среднее эффективное давление р_е — это условное постоянное давление, которое при действии на поршень в течение такта расширения совершает работу, равную по величине эффективной работе цикла. Оно может быть вычислено из выражений (измеряется в кВт):



Отношение эффективной мощности к индикаторной называется механическим кпд двигателя, то есть &bta;=N_e/N_i. В карбюраторах он равен 0,7—0,85, в дизелях 0,73—0,87.

Литровая мощность N_л (измеряется в кВт/л) — это максимальная мощность двигателя, приходящаяся на единицу рабочего объема цилиндра N_л=N_e/V_h. Для карбюраторов она равна 18—40 кВт/л (у легковых автомобилей больше, чем у грузовых), для дизелей 15—25 кВт.



Среднее давление трения р_тр — давление на поршень (постоянное), под действием которого в такте расширения совершается работа, равная работе сил трения.

Для карбюраторов: р_тр = 0,35 + 0,0005n_e,

для дизелей: р_тр = 0,8 + 0,17v_ср,

где v_cp — средняя скорость поршня (м/с).

К скоростным характеристикам двигателя относятся графические зависимости эффективных мощности и крутящего момента, удельного и часового расходов топлива от частоты вращения коленчатого вала. Они получаются опытным путем при обкатке двигателей на тормозных стендах.

Различаются внешняя скоростная характеристика двигателя (соответствует максимальной подаче топлива при полностью открытой дроссельной заслонке) и частичная скоростная характеристика (соответствует постоянным промежуточным положениям дроссельной заслонки, а для дизелей — промежуточным подачам топлива).

Построение графиков скоростных зависимостей происходит по точкам, полученным при затормаживании коленчатого вала (при определенном положении дроссельной заслонки). При определенных устойчивых значениях интервалов частоты его вращения измеряются тормозной момент, необходимый для достижения соответствующей частоты вращения (он равен эффективному крутящему моменту), и часовой расход топлива. Эффективную мощность и удельный расход топлива определяют по соответствующим формулам по измеренным тормозному моменту и часовому расходу. По полученным точкам строятся соответствующие графики.

Исходные размеры двигателя (рабочий объем, диаметр цилиндра и ход поршня) определяются исходя из известных значений эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, тактности, среднего эффективного давления по следующим формулам:



рабочий объем одного цилиндра (л): V_h=V_л/i (i — количество цилиндров);

рабочий объем всех цилиндров (л): V_л = 30τ N_e/(p_en_e);

диаметр цилиндра (вычисляется исходя из отношения S/D):



ход поршня: S=DS/D (вычисляется исходя из отношения S/D);

средняя скорость поршня (примерно): v_ср=Sn_e/30.