2.3.2. Эффективные показатели рабочего цикла
Часть индикаторной мощности двигателя затрачивается на преодоление трения в сопряженных узлах двигателя и на привод вспомогательных механизмов. Поэтому мощность, развиваемая на валу двигателя и отдаваемая силовой передаче машины, всегда меньше индикаторной. Эта мощность называется эффективной мощностью двигателя:
,
где Ne – эффективная мощность в кВт;
NM – мощность, затрачиваемая на преодоление трения в сопряженных узлах двигателя и на привод вспомогательных механизмов.
Средним эффективным давлением Pe называют условно постоянное давление, при котором работа газов, произведенная в цилиндрах двигателя за один ход поршня, равна эффективной работе за цикл.
Если составляющие потерь выразить через среднее давление трения, равное работе трения, отнесенной к 1м3 рабочего объема цилиндра, то
,
где Pe – среднее эффективное давление МПа;
PM – среднее давление трения, МПа.
Между средним давлением трения и числом оборотов двигателя, на основании опытных данных, установлены следующие соотношения:
для карбюраторных ДВС
где n – частота вращения двигателя, об./мин;
для дизельных ДВС
Эффективная мощность и среднее эффективное давление связаны между собой следующей зависимостью:
.
Отношение эффективной мощности к индикаторной мощности называется механическим КПД двигателя.
.
Заменив Ne и Pe, получим:
;
.
Механический КПД оценивает затраты на преодоление трения в сопряженных узлах двигателя и на привод вспомогательных механизмов. К этим затратам относятся потери на трение: поршня о стенки цилиндра, в подшипниках коленчатого и кулачкового валов, деталей распределения, а также потери на привод вентилятора, масляного и водяного насосов, генератора, магнето, прерывателя-распределителя, компрессора, нагнетателя и т. д.
Механический КПД зависит от конструктивных параметров двигателя, материала и качества обработки деталей, качества масла и смазочной системы, температурного режима, числа оборотов и нагрузки двигателя, числа и конструкции вспомогательных механизмов и ряда других факторов.
Механический КПД тем выше, чем меньше давления, передаваемые через сопряженные узлы, совершеннее система смазки и выше качество масла, лучше материалы и качество обработки деталей, меньше затрат на привод вспомогательных механизмов.
С увеличением числа оборотов и понижением нагрузки механический КПД уменьшается.
Эффективный КПД является показателем, характеризующим экономичность двигателя. Эффективным КПД называется отношение эффективной работы, выраженной в единицах теплоты, к расчетной теплоте сгорания топлива, затраченного на получение этой работы.
.
Если учесть, что
,
получим:
или
.
Если индикаторный КПД учитывает только тепловые потери, то эффективный КПД учитывает и тепловые и механические потери. Для повышения эффективного КПД необходимо повышать как индикаторный, так и механический КПД. Повышение индикаторного КПД может быть достигнуто совершенствованием рабочего цикла двигателя, а улучшение механического КПД – понижением механических потерь.
Эффективный КПД для одного и того же двигателя не остается постоянной величиной. Он изменяется в зависимости от режима работы, состава смеси, технического состояния двигателя и других факторов.
Эффективный КПД при полной нагрузке находится в следующих пределах:
карбюраторные двигатели ......... 0.22–0.28;
дизельные двигатели ..........…… 0.26–0.38.
Удельный эффективный расход топлива ge является вторым показателем экономичности работы двигателя. Он определяется по формуле:
.
Связь между обоими показателями экономичности работы двигателей ηe и ge устанавливается формулой:
или
.
Из этих выражений следует, что удельный расход топлива тем меньше, чем выше эффективный КПД и теплотворная способность топлива.
Связь между ηi, gi и ge можно определить, используя выражение
.
Тогда
или
Удельный расход топлива в карбюраторных двигателях находится в пределах 280–330 г/кВт · ч, в дизельных двигателях 210–260 г/кВт · ч.
Часовой расход топлива можно определить по формуле:
.