Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания (стр. 4 из 13)
При наличии индикаторной диаграммы, снятой в двигателе (рис. 4), среднее индикаторное давление можно определить по высоте прямоугольника, построенного на основании
, площадь которого равна полезной площади индикаторной диаграммы, представляющей собой в некотором масштабе индикаторную работу 
.Определив с помощью планиметра полезную площадь
индикаторной диаграммы в 
и длину 
индикаторной диаграммы в 
, соответствующую рабочему объему цилиндра, находят значение среднего индикаторного давления 
,где
- масштаб давления индикаторной диаграммы, 
.Среднее индикаторное давление при полной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателей
, у четырехтактных дизелей 
, а у двухтактных дизелей - 
.Индикаторная работа, совершаемая газами в одном цилиндре за один цикл
, 
.где pi - среднее индикаторное давление газов, н/м2;
V – объем поршня, м2.
Так как число рабочих циклов, совершаемых двигателем в секунду, равно 2
, то индикаторная мощность 
одного цилиндра 
,где
- число оборотов коленчатого вала в секунду; 
- тактность двигателя – число тактов за цикл.Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя при числе цилиндров
: 
.3.2 Коэффициенты полезного действия
Экономичность действительного рабочего цикла двигателя определяется индикаторным к.п.д. 
и удельным индикаторным расходом топлива
. Экономичность работы двигателя в целом оценивается эффективным к.п.д. 
и удельным расходом топлива 
.Индикаторный к.п.д.
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 
, т.е.
.Теплота, затраченная на работу двигателя в течение 1
: 
,где
- расход топлива, 
; 
- низшая теплота сгорания топлива, 
.Подставляя значения
и в равенство (а), получим 
.Эффективный к.п.д.
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 
,т.е. 
.Удельный эффективный расход топлива
представляет собой отношение секундного расхода топлива к эффективной мощности 
, т.е. 
или
.Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен
,Где Wтм — механическая работа, Дж;
Qз — затраченное количество теплоты, Дж.
Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):
Так как механический к.п.д. равен отношению
к 
, то получим 
откуда
,где
- механический к.п.д.3.3 Повышение удельной мощности двигателей
Увеличение быстроходности (повышение) пропорционально увеличивает удельную мощность до тех пор, пока не снижаются. Дальнейший прирост мощности при повышении частоты вращения идет до такого уровня, пока увеличивается произведение , несмотря на снижение коэффициента наполнения и механического КПД. Проблем, ограничивающих быстроходность современных карбюраторных двигателей из-за увеличения скорости горения, практически нет. При достижении некоторого, специфичного для каждого двигателя, режима (точки перегиба) максимальная мощность начинает снижаться, т. е. повышение числа оборотов не успевает компенсировать рост сопротивлений и ухудшение наполнения цилиндра. Как уже отмечалось, все конструктивные мероприятия, направленные на улучшение теплоиспользования, снижение механических и насосных потерь, увеличение наполнения цилиндра способствуют повышению скоростного режима двигателя, отодвигают точку перегиба внешней скоростной характеристики в сторону высоких чисел оборотов, что позволяет получить более высокие удельные мощности. Увеличению быстроходности двигателя препятствуют факторы предельно допустимой средней скорости и ускорений поршня, обеспечения надежности работы шатунных подшипников, поршневых колец и др. Максимальная частота вращения коленчатых валов современных гоночных двигателей находится в пределах 8000—20 000 об/мин. Однако средняя скорость поршня не превышает 22 м/с. Это достигается за счет уменьшения размерностей отдельного цилиндра и создания многоцилиндровых двигателей. Высокие ускорения поршня нередко вызывают вибрацию поршневых колец, прорыв газов под ними и даже их поломку. Для повышения надежности на гоночных двигателях применяют узкие стальные поршневые кольца. Хорошо подготовленный мотор должен выдерживать работу на скоростном режиме, соответствующем максимальной мощности, в течение нескольких часов без каких-либо повреждений. Диапазон рабочих частот вращения обычно является критерием для оценки внешней скоростной характеристики двтгателя. Границы этого диапазона определяют скорость вращения коленчатого вала при максимальной мощности (n точка перегиба) и минимальная угловая скорость n min, при которой двигатель еще устойчиво работает на полностью открытом дросселе. Рабочий диапазон оборотов коленчатого вала двигателя можно оценить коэффициентом диапазона d: Для большинства современных гоночных двигателей коэффициент диапазона находится в пределах 0,35—0,40. У некоторых высокофорсированных двигателей этот коэффициент снижается до 0,1 , и они по своим качествам приближаются к однорежимным моторам. Многие форсированные ДВС имеют внешние характеристики с крутым перегибом Nm и резким спадом мощности после точки перегиба, кроме того, работают в этом режиме с очень высокими механическими и тепловыми перегрузками. Такие двигатели отличаются малыми моторесурсом и надежностью в эксплуатации. Если кривая мощностной характеристики имеет плавный перегиб и постепенное снижение мощности после точки перегиба, то в определенных случаях целесообразно эксплуатировать двигатель именно в этом диапазоне частот вращения.