Расчет среднего эффективного давления на поршень

Среднее эффективное давление на поршень p_e является таким же чисто расчетным значением, что и среднее индикаторное давление на поршень p_i. Оно помогает конструктору определить параметры двигателя.

Для вывода формулы эффективной мощности Ре по такому же принципу, что и уравнение 3.22 для индикаторной мощности двигателя, обязательно понадобится значение среднего эффективного давления на поршень p_e.



Эффективная мощность и индикаторная мощность двигателя различаются на величину мощности трения, а именно:



Из этого следует, что формула действительна также для обоих давлений на поршень:



Преобразовав уравнение 3.28, можно получить формулу среднего эффективного давления на поршень:




Экспериментальные данные среднего эффективного давления на поршень получают с помощью уравнения 3.29. Разумеется, при этом в формуле указываются только данные испытанных двигателей.

Остается только вывести еще одно уравнение для расчета среднего эффективного давления на поршень. При этом появляются еще две величины, которые сначала нужно объяснить.

1. Теплота сгорания смеси

Теплота сгорания смеси H_G представляет собой количество теплоты, которое высвобождается при сгорании одного нормального кубического метра (m³_H) топливовоздушной смеси.

При использовании бензина или дизельного топлива можно пренебречь отношением объема топлива к объему воздуха. Для бензина или дизельного топлива действуют следующие формулы:



L_min — необходимое количество воздуха;


λ — коэффициент избытка воздуха.

При использовании газа в качестве топлива необходимо учитывать объем газа относительно объема воздуха в смеси, соответственно, получаем следующие формулы:



В уравнениях 3.31 и 3.33 показано, что, если коэффициент избытка воздуха меньше или равен единице, то топливо не может сгореть полностью. В вышеуказанных уравнениях величины указаны таким образом, что единица теплоты сгорания смеси измеряется в кДж/m³_H. Цифра «1» в знаменателе уравнений 3.32 и 3.33 указана для 1 m³_H газа в смеси.

2. Коэффициент наполнения цилиндра

Коэффициент наполнения цилиндра характеризует степень наполнения цилиндра топливовоздушной смесью и выражается как отношение массы свежего заряда смеси m_y находящегося в цилиндре сразу после заполнения, к теоретической массе смеси m_th которая могла бы заполнить цилиндр при давлении и температуре окружающей среды.

ρ_a — плотность свежего заряда смеси при давлении и температуре окружающей среды.


Полагая, что общий рабочий объем заполнен свежим зарядом смеси, масса фактически рассчитывается следующим образом



ρ_z — плотность свежего заряда в цилиндре.

Отсюда получаем:



Отношение ρ_z/ρ_a можно выразить с помощью давления и температуры, и тогда получаем следующее:



T — абсолютная температура наружного воздуха;


T_z — абсолютная температура заполнения цилиндра;
p — абсолютное давление наружного воздуха;
p_z — абсолютное давление в цилиндре.

Температура T_z выше, чем T, так как заряд смеси при впуске подогревается от соприкосновения с горячими поверхностями камеры сгорания и гильзы цилиндра. Давление p_z меньше р вследствие потерь при впуске. Утверждение, что объем цилиндра целиком заполняется свежим зарядом смеси при впуске, соответствует лишь четырехтактному двигателю. В двухтактном двигателе при продувке свежий заряд смеси частично смешивается с отработавшими газами, поэтому заполняет собой не весь объем цилиндра. Экспериментальные данные:

• Четырехтактный двигатель λ₁ = от 0,7 до 0,9
• Двухтактный двигатель с нагнетателем в кривошипной камере λ₁ = от 0,5 до 0,7

При продувке через кривошипную камеру двухтактного двигателя нижняя часть поршня используется для перемещения продувочного воздуха (см. рис. 8.33). После предварительного рассмотрения можно перейти к выведению формулы для вычисления р_е. Для этого необходимо записать уравнение эффективной мощности в следующем виде:



Количество теплоты, подведенное за единицу времени, равно:



ρ₀ — плотность свежего заряда смеси в нормальном состоянии окружающей среды (температура 0°С; 1, давление 013 бар).

Используя соотношения



Ф_z используется в уравнении для Р_е:



Для эффективной мощности используется следующее уравнение:



Если обе формулы для P_e отождествить, получим искомое уравнение среднего эффективного давления на поршень:



Так как уравнение 3.35 является критериальным уравнением, для р_е получаем те же единицы измерения, что и для теплоты сгорания смеси. Затем их необходимо преобразовать в единицы измерения, стандартные для р_е, например, бары.

Пример 1

Для четырехтактного бензинового двигателя легкового автомобиля известны следующие данные:

• Эффективная мощность Р_е = 88 кВт
• Частота вращения n = 5500 мин^-1
• Удельный расход топлива b_е = 300 г/кВт·ч
• Число цилиндров z =6
• Диаметр цилиндра D = 87mm
• Ход поршня Н = 70 мм

Необходимо рассчитать следующее:

• 1. Литровая мощность двигателя
• 2. Среднее эффективное давление на поршень
• 3. Эффективный коэффициент полезного действия

Решение

1. Литровая мощность двигателя

2. Среднее эффективное давление на поршень

3. Эффективный коэффициент полезного действия