Мощность двигателя: индикаторная и эффективная

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:

$N i = P i ((F_{n} S n 10^{4}) / (60 75 m)) i, г д е$

Pi — среднее индикаторное давление в цилиндре, ^кг/_см²;
F_п = 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 F_п S через рабочий объем цилиндра Vs: F_п S = Vs, — можно уравнение индикаторной мощности записать в виде:

$N i = P i V s n i / (0.45 m) г д е$

В практике часто используется другая разновидность этой формулы:

$N i = С P i n i$

где С = Vs / (0,45m) — постоянная цилиндра.

Если Pi измеряется в мПа, то мощность в кВт определяется равенством:

$N i = P i V s n i / (0.06 m) к В т$

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:

$N i = Σ N i ц$

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 N_мех:

$N e = N i — N_{м е х}$

По аналогии с зависимостью (2) можно записать:

$N e = P e (V s n i) / (0.45 m)$

где Ре — среднее эффективное давление, ^кг/_см²

Среднее эффективное давление меньше среднего индикаторного давления на величину Р_мех:

$P e = P i — Р_{м е х}$

Величина P_мех — 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 η_н, отнесенный ко всему ходу. При этих условиях Ni_m=1 = (1,75 ÷ 1,85) Ni_m=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 Ne_ц = 5000 ÷ 7760 элс, у среднеоборотных — 1500 ÷ 1800 элс в цилиндре.