Мощность, соответствующая индикаторной работе цикла, называется индикаторной мощностью. Мощность двигателя равна сумме мощностей всех цилиндров. Если принять, что во всех цилиндрах — одинаковое среднее индикаторное давление, то индикаторная мощность двигателя простого действия, равная индикаторной работе в 1 сек., может быть найдена по формуле:
Ni = Pi ((Fn S n 10 4 )/(60 75 m)) i, илс
- Pi — среднее индикаторное давление в цилиндре, кг/см2;
- Fп = πD2 / 4 — площадь поршня, м2;
- S — ход поршня, м;
- n — частота вращения коленчатого вала, об/мин;
- i — число цилиндров;
- m — коэффициент тактности (m = 1 для 2-тактных ДВС и m = 2 для 4-тактных двигателей).
В приведенной формуле мощность дана в индикаторных лошадиных силах. Это — наиболее часто применяемая размерность в практике дизелестроения и в эксплуатации. Для перевода лошадиных сил в киловатты (в международную систему единиц) необходимо иметь в виду, что 1 л.с. = 0,736 кВт.
Выполнив арифметические преобразования и заменив произведение Fп S через рабочий объем цилиндра Vs: Fп S = Vs, — можно уравнение индикаторной мощности записать в виде:
Ni = Pi Vs n i / (0.45m) илс
В практике часто используется другая разновидность этой формулы:
Ni =С Pi n i
где С = Vs / (0,45m) — постоянная цилиндра.
Если Pi измеряется в мПа, то мощность в кВт определяется равенством:
Ni = Pi Vs n i / (0.06m) кВт
В практике эксплуатации мощность определяется порознь для каждого цилиндра путем нахождения Pi по индикаторным диаграммам. Диаграммы снимаются с каждого цилиндра на установившемся режиме работы двигателя. Полная мощность двигателя рассчитывается суммированием мощностей цилиндров:
Ni = Σ Niц
Эффективная мощность двигателя Ne соответствует эффективной работе в единицу времени на фланце отбора мощности. Это есть полезная мощность, отдаваемая потребителю. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину мощности механических потерь двигателя Nмех:
Ne = Ni — Nмех
По аналогии с зависимостью (2) можно записать:
Ne = Pe (Vs n i) / (0.45m)
где Ре — среднее эффективное давление, кг/см2
Среднее эффективное давление меньше среднего индикаторного давления на величину Рмех:
Pe = Pi — Рмех
Величина Pмех — некоторое условное давление, постоянное на протяжении всего рабочего хода поршня, идущие на покрытие механических потерь двигателя.
Как следует из формулы (1), основными факторами, определяющими мощность двигателя, являются:
- Площадь поршня F, равная F = πD2 /4;
- Ход поршня S;
- Частота вращения n;
- Коэффициент тактности m;
- Число цилиндров i;
- Величина среднего индикаторного давления Pi.
Наиболее существенное влияние на Ni оказывает диаметр D, входящий в формулу (1) в квадрате. В судовых малооборотных дизелях этот параметр достиг величины D = 1050 ÷ 1060 мм. Увеличение диаметра цилиндра вызывает увеличение веса двигателя, его габаритов, из-за чего растут силы инерции, давление на подшипники коленчатого вала, ухудшаются условия охлаждения цилиндров (из-за увеличения толщины материала поршня, втулки, крышки) и смазки цилиндропоршневой группы. Дальнейшее увеличение диаметра требует решения проблем прочности, теплоотвода и смазки.
Ход поршня и частота вращения связаны с выбранным для двигателя диаметром цилиндра. Так, у малооборотных двигателей долгие годы наблюдалось соотношение S = (1,7 ÷ 2,0)D, а n определялось при заданных размерах D и S допустимым уровнем центробежных сил и средними скоростями движения поршня, равными Cm = 6,5 ÷ 7,0 м/сек. В 80-е годы наметилась тенденция создания дизелей с S/D > 2 и с пониженной частотой вращения при повышенной до 8,0-8,5 м/сек средней скорости поршня. Примером могут служить длинноходовые модели фирмы Бурмейстер и Вайн: в одном из двигателей S70 МС при D = 700 мм, S = 2800 мм, S/D = 4, n = 91 об/мин, средняя скорость движения поршня равна Cm = 8,5 м/сек.
У среднеоборотных дизелей диаметры цилиндров достигли значений D = 400 ÷ 650 мм, отношение S/D = 1,0 ÷ 1,2, n = 350 ÷ 750 об/мин при Cm = 7 ÷ 10 м/сек.
Индикаторная мощность увеличивается пропорционально числу цилиндров. Максимальное число цилиндров у рядных двигателей достигает i = 10 ÷ 12, у V-образных — 20 ÷ 24. Увеличение числа цилиндров ограничивается длиной двигателя и технологическими трудностями изготовления достаточно жесткого коленчатого вала.
При прочих равных условиях, мощность 2-тактного дизеля (m = 1) в 2 раза больше, чем 4-тактного (m = 2). В действительности при m = 1 часть хода поршня теряется на продувку цилиндра, за счет чего снижается коэффициент ηн, отнесенный ко всему ходу. При этих условиях Nim=1 = (1,75 ÷ 1,85) Nim=2.
Постоянное возрастание индикаторной мощности у современных двигателей обеспечивается увеличением среднего индикаторного давления Pi путем форсирования дизелей наддувом и сжиганием большего количества топлива в том же объеме цилиндра. Максимальная цилиндровая мощность у современных малооборотных дизелей достигает Neц = 5000 ÷ 7760 элс, у среднеоборотных — 1500 ÷ 1800 элс в цилиндре.
