8.4. Эффективная мощность, эффективный кпд и удельный эффективный расход топлива

ДВС, как и любой тепловой двигатель, создан для получения энергии от сгорания различных топлив, которую можно использовать для совершения полезной работы, на которую используется только часть вырабатываемой в цилиндрах и газовой турбине индикаторной мощности N_i. Другая часть от N_i не может быть использована, поскольку затрачивается на различные виды механических потерь, к которым относятся:

- мощность N_тр, которая затрачивается на преодоление трения между движущимися частями в ДВС, например, на трение поршня и поршневых колец о стенки цилиндра, трение в механизме газораспределения и различного рода используемых подшипниках;

- мощность N_а, которая затрачивается на привод различных агрегатов и устройств ДВС топливного, водяного и масляного насосов, генератора, компрессора с механическим приводом и др. устройств;

- мощность N_н.х, которая затрачивается на очистку и наполнение цилиндров (насосные ходы).

Таким образом, если мы обозначим мощность на все механические потери N_м, то получим эффективную мощность двигателя N_е, в соответствие с формулой:

N_е = N_i - N_м. (8.28)

Из этого следует, что одним из основных показателей ДВС является его эффективная мощность N_e, т.е. мощность, получаемая непосредственно потребителем, которую при испытаниях ДВС определяют по формулам:

кВт или л.с, (8.29)

где М_е, Н∙м или кг∙м – крутящий момент на коленчатом валу ДВС; n, мин^-1 – частота вращения коленчатого вала.

В зависимости от частоты вращения коленчатого вала n мощность двигателя N_e увеличивается до определенного предела (номинальная мощность), а характеристика М_е имеет определенный максимум М_еmax, которые определяются наполнением цилиндров свежим зарядом (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Изменение N_e и М_е в зависимости от n

Режим работы ДВС, при котором мощность N_e близка к своему максимальному значению, называется номинальным. В ДВС с искровым зажиганием номинальную мощность N_eном обычно получают при n > n_ном, а в дизелях N_eном < N_emax, поскольку мощность будет ограничена пределами дымления (содержанием сажи в отработавших газах) и ее получают при n < n_ном.

Если мы исключим влияние частоты вращения коленчатого вала n на величину отдельных потерь в двигателе, то получим полезную работу ДВС, которая, отнесенная к 1 м³ рабочего объема V_h, будет определять среднее эффективное давление р_е (МПа), согласно формуле:

р_е = р_i – p_м, (8.30)

где p_м, МПа – среднее давление механических потерь.

Таким образом, среднее эффективное давление р_е – условное постоянное давление в цилиндрах ДВС, при котором работа, произведенная в них за один такт, равна эффективной работе.

Среднее эффективное давление и эффективная мощность двигателя связаны между собой подобно формулам (8.15) и (8.16), т.е. связи среднего индикаторного давления и индикаторной мощности:

- для четырехтактного двигателя

; (8.31)

- для двухтактного двигателя

, (8.32)

где i – число цилиндров двигателя.

Следовательно, для определения среднего эффективного давления и среднего давления механических потерь используют формулы:

; (8.33)

, (8.34)

где τ – тактность двигателя.

Уменьшение мощности ДВС из-за механических потерь характеризует механический КПД, определяемый по формуле:

. (8.35)

Поскольку N_е = N_i - N_м, а р_е = р_i - р_м, то получим:

. (8.36)

Определение каждой из отмеченных ранее составляющих, влияющих на р_м довольно сложно, поэтому механические потери считают состоящими из двух величин: работы трения и насосные потери:

р_м = р_тр + р_н.х. (8.37)

Поскольку основные потери на трение в ДВС (до 70 %) происходят в цилиндропоршневой группе, среднее давление механических потерь определяют в зависимости от скорости поршня с_п по формулам вида:

р_м = А + В∙ с_п, (8.38)

в которой коэффициенты А и В, установленные экспериментально, приведены в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Значения коэффициентов А и В

Тип двигателя	А	В
Бензиновые ДВС: - с ; - с	0,049 0,039	0,0152 0,0132
Дизели: - с неразделенной камерой сгорания; - с разделенной камерой сгорания	0,103 0,103	0,0118 0,0135

Работа трения при наддуве возрастает, поскольку увеличивается нагрузка на движущиеся детали, поэтому изменение р_тр при работе дизелей с наддувом по внешней скоростной характеристики можно определить по эмпирической формуле:

р_тр = р_тр.ном∙ , (8.39)

где р_тр.ном и - среднее давление трения и степень повышения давления наддува при работе ДВС на номинальной частоте вращения коленчатого вала n_ном, соответственно; экспериментальные коэффициенты: а = 1,3 – 1,4 и b ≈ 0,1.

Работа, затрачиваемая в четырехтактном двигателе на газообмен, возрастает с увеличением давления наддува р_к, поскольку работа, расходуемая на выталкивание газов, увеличивается быстрее по сравнению с ростом полезной работы поступающего в цилиндр свежего заряда. Для быстроходных четырехтактных ДВС с наддувом среднее давление насосных потерь определяют по уравнению:

, (8.40)

где принимают ; ; μ_вп = 0,87 и μ_в = 1,15.

В судовых малооборотных ДВС большой мощности принимают р_м = 0,12 – 0,18.

В табл. 8.3 показаны значения р_е и η_м при работе различных ДВС на номинальном режиме.

Таблица 8.3.

Значения р_е и η_м различных ДВС на номинальном режиме

ДВС	ре, МПа	ηм
Бензиновые	0,6 – 1,0	0,70 – 0,85
Газовые	0,5 – 0,6	0,75 – 0,80
Четырехтактные дизели: - без наддува; - с наддувом	0,6 – 0,8 1,2 – 1,8 и выше	0,75 – 0,80 до 0,92

Мощность N_м, среднее давление трения р_м и η_м зависят от частоты вращения коленчатого вала n и могут быть определены при испытаниях ДВС или путем отключением подачи топлива в цилиндры дизеля, или отключением зажигания в цилиндрах ДВС с искровым зажиганием (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Изменение N_м = f(n), р_м = f(n) и η_м = f(n)

На величины η_м и N_м влияет степень сжатия ε, которую в дизелях выбирают, исходя из обеспечения надежного пуска и допустимой нагрузки на детали.

С увеличением давления наддува р_к повышается склонность к детонации ДВС с искровым зажиганием. Связь между допустимой степенью сжатия ε_н ДВС с наддувом и степенью сжатия ε в ДВС с искровым зажиганием без наддува, работающих на одинаковых топливах, установлена экспериментально и выражается формулой:

, (8.41)

где р_к, МПа - давление наддува.

Пределы изменения степени сжатия ε для двигателей различных типов сведены в табл. 8.4.

Таблица 8.4.

Приблизительные пределы изменения ε в разных типах ДВС

Тип двигателя	ε
Бензиновые ДВС с искровым зажиганием	6,5 – 12
Газовые ДВС	6 – 10
Дизель без наддува	15 – 22 и выше
Дизель с наддувом	11 – 17

Изменение нового в зависимости от новой степени сжатия ε_н может быть определено по следующей формуле:

, (8.42)

где р_м = р_i – p_e, МПа – среднее давление трения, равное работе трения, отнесенной к 1 м³ объема цилиндра V_h; η_iн – новый индикаторный КПД.

Показатели экономичной работы ДВС определяют эффективный КПД η_е и удельный эффективный расход топлива g_e.

Эффективный КПД, определяется по формуле:

. (8.43)

Если подставить в формулу (8.37) формулы (8. 20) и (8.21), то получим:

- для двигателей, работающих на жидком топливе, формулу:

; (8.44)

- для двигателей, работающих на газовых топливах формулу:

. (8.45)

Для двухтактных ДВС в выражениях (8.44) и (8.45) величины р_е и η_е должны относиться к одному и тому же полезному рабочему объему цилиндра.

При изменении нагрузки (p_e или N_e) и частоты вращения коленчатого вала n будут изменяться η_i и η_м, а, следовательно, и η_е. Работа ДВС при n = const. и увеличением p_e сопровождается увеличением η_м, но снижением η_i, поэтому η_е имеет определенный максимум при некотором значении p_e, находящемся в области номинальной нагрузки. При уменьшении p_e эффективный КПД η_е снижается и при p_e = 0 (холостой ход) η_е = 0. При определенной частоте вращения n индикаторный КПД η_i будет иметь максимум (рис. 8.7 и 8.8), а η_м с увеличением n будет непрерывно уменьшаться (рис. 8.11), поэтому значения η_е сначала будут увеличиваться, а затем снижаться. В табл. 8.5 показаны значения η_е при работе различных ДВС на номинальном режиме.

Таблица 8.5.

Значения η_е на номинальном режиме работы ДВС

Тип ДВС	ηе
Бензиновые ДВС	0,22 – 0,30
Дизели	0,30 – 0,42
Газовые ДВС	0,23 – 0,28

Удельный эффективный расход топлива g_e показывает расход топлива G_T (кг/ч), приходящийся на единицу эффективной мощности N_e (кВт) при работе ДВС в течении 1 ч, и при проведении испытаний определяется по формуле:

, г/(кВт∙ч). (8.46)

С учетом выражений (8.20) и (8.25) получим формулы для расчета g_e:

- для двигателей, работающих на жидком топливе

; (8.47)

- для двигателей, работающих на газообразном топливе

. (8.48)