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:

$N_{i} = P_{m i} F S \frac{n}{60 m} i, к В т,$

P_mi — среднее индикаторное давление в цилиндре, kПА;
F = 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).

Если давление дано в мегапаскалях (P_miМПа), то формулу можно записать в виде:

$N_{i} = \frac{P_{m i} \cdot V_{s} \cdot n}{0, 06 m} i, к В т,$

где Vs=FS — рабочий объем цилиндра, м³

В практике эксплуатации современного морского флота, в отчетной документации по сей день широко используется внесистемная единица измерения мощности — лошадиная сила (1 л.с.=75 кгм).

Для перевода лошадиных сил в киловатты (в международную систему единиц) необходимо иметь в виду, что 1 л.с. = 0,736 кВт.

Если давление измеряется в ^кг/_см², то формула индикаторной мощности может быть записана в виде:

$N_{i} = \frac{P_{m i} F S n \cdot 10^{4}}{60 \cdot 75 m} i, и л и N_{i} = \frac{P_{m i} \cdot V_{s} \cdot n}{0.45 m} i, и л с$

Если среднее индикаторное давление измеряется в барах (P_mi бар), то формула несколько изменяется:

$N_{i} = \frac{P_{m i} \cdot V_{s} \cdot n}{0.441 m} i, и л с .$

В практике часто используется другая разновидность этой формулы:

$N_{i} = C \cdot p_{m i} \cdot n \cdot i, и л с,$

где С = V_s/(0,441m) — постоянная цилиндра.

В практике эксплуатации мощность определяется порознь для каждого цилиндра путем нахождения p_mi по индикаторным диаграммам. Диаграммы снимаются с каждого цилиндра на установившемся режиме работы двигателя. Полная мощность двигателя рассчитывается суммирование

$N_{i} = Σ N_{i} ц .$

Эффективная мощность двигателя N_e 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_м:

$N_{i} = N_{i} — N_{м}$

По аналогии с зависимостью (2) можно записать:

$N_{i} = \frac{p_{e} \cdot V_{s} \cdot n}{0.441 m} i, э л с,$

где Р_е — среднее эффективное давление, бар.

Среднее эффективное давление меньше среднего индикаторного давления на величину p_м:

$p_{e} = p_{m i} — p_{м} .$

Величина P_м — 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 P_mi.

Наиболее существенное влияние на Ni оказывает диаметр D, входящий в формулу (1) в квадрате. В судовых малооборотных дизелях этот параметр достиг величины D = 0.960+1.080 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 = 400+650 мм, S = 2800 мм, S/D = 1,0+1,2, n = 350+750^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 P_mi путем форсирования дизелей наддувом и сжиганием большего количества топлива в том же объеме цилиндра. Максимальная цилиндровая мощность у современных малооборотных дизелей достигает Ne_ц = 5 000 ÷ 7 760 элс, у среднеоборотных — 1 500÷1 800 элс в цилиндре.