Механический коэффициент полезного действия двигателя равен

Автор: Владимир Егоров
Источник: icarbio.ru

20884 1

Индикаторная мощность, развиваемая тепловым двигателем, не может быть в полной мере реализована
из-за потерь на преодоление трения и на привод вспомогательных механизмов, но,
чтобы улучшить топливную экономичность двигателя, необходимо точно знать все эти потери.
Для удобства их оценки введено понятие механического КПД ηm.

Механический КПД
Отношение эффективной мощности двигателя к индикаторной.

Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре, меньшая – трением в хорошо смазываемых
подшипниках и приводом необходимого для работы двигателя оборудования. Потери, связанные с поступлением воздуха
в двигатель (насосные потери), весьма важны, так как они возрастают пропорционально квадрату
частоты вращения двигателя.

Потери мощности, необходимые для привода оборудования, обеспечивающего работу двигателя,
включают мощность на привод механизма газораспределения, масляного, водяного и топливного насосов,
вентилятора системы охлаждения. При воздушном охлаждении вентилятор подачи воздуха является
неотъемлемым элементом двигателя при его испытаниях на стенде, в то время как у двигателей
жидкостного охлаждения при проведении испытаний вентилятор и радиатор часто отсутствуют,
а для охлаждения используют воду из внешнего контура охлаждения. Если потребляемую мощность
вентилятора двигателя жидкостного охлаждения не учитывать, то это дает заметное завышение его
экономических и мощностных показателей по сравнению с двигателем воздушного охлаждения.

Другие потери на привод оборудования связаны с генератором, пневмокомпрессором, гидронасосами,
необходимыми для освещения, обеспечения работы приборов, тормозной системы, рулевого управления автомобиля.
При испытании двигателя на тормозном стенде следует точно определить, что считать дополнительным оборудованием
и как его нагружать, поскольку это необходимо для объективного сопоставления характеристик разных двигателей.
В частности, это относится к системе охлаждения масла, которое при движении автомобиля охлаждается обдувом
масляного поддона воздухом, отсутствующим при испытаниях на тормозном стенде. При испытании на стенде
двигателя без вентилятора не воспроизводятся условия обдува трубопроводов воздухом,
что вызывает повышение температур во впускной трубе и ведет к уменьшению величины коэффициента наполнения
и мощности двигателя.

Размещение воздушного фильтра и величина сопротивления выпускного трубопровода должны
соответствовать реальным условиям работы двигателя в автомобиле. Эти важные особенности необходимо учитывать
при сопоставлении характеристик различных двигателей или одного двигателя, предназначенного
для применения в различных условиях, например, в легковом или грузовом автомобиле,
тракторе или для привода стационарного генератора, компрессора и т. д.

При уменьшении нагрузки двигателя его механический КПД ухудшается,
так как абсолютная величина большинства потерь не зависит от нагрузки.
Наглядным примером служит работа двигателя без нагрузки, т. е. на холостом ходу,
когда механический КПД равен нулю и вся индикаторная мощность двигателя расходуется
на преодоление его потерь. При нагрузке двигателя на 50% или менее удельный расход топлива по сравнению
с полной нагрузкой значительно возрастает, и поэтому использовать для привода двигатель,
имеющий большую, чем это требуется, мощность, совершенно неэкономично.

Механический КПД двигателя зависит от типа используемого масла. Применение в зимнее время масел
повышенной вязкости приводит к росту расхода топлива. Мощность двигателя при больших высотах
над уровнем моря падает вследствие уменьшения давления атмосферы, однако его потери практически не меняются, вследствие чего удельный расход топлива возрастает аналогично тому, как это имеет место при частичной нагрузке двигателя.

Стоит заметить, что высокий механический КПД не является гарантией высокого эффективного КПД двигателя.

Последнее обновление 02.03.2012
Опубликовано 17.02.2011

Комментарии

Рассмотрим режим установившегося движения. Для каждого полного цикла этого движения приращение кинетической энергии механизма равно нулю (6.76). Следовательно, работа Ли в уравнении (6.8) также равна нулю, как и работа Ас т сил тяжести. Таким образом, для установившегося движения уравнение работ (6.7в) имеет следующий вид:

то есть, за полный цикл установившегося движения работа всех движущих сил равна работе всех производственных Ап с и всех непроизводственных Ат сил сопротивления.

Механическим коэффициентом полезного действия (КПД) называется отношение абсолютной величины работы сил производственных сопротивлений к работе всех движущих сил за цикл установившегося движения:

или, принимая во внимание уравнение (6.10), получаем
или по (6.10):

где |/ — механический коэффициент потерь, то есть отношение работы непроизводственных сопротивлений к работе движущих сил.

Чем меньше в механизме работа непроизводственных сопротивлений, тем меньше его коэффициент потерь и тем совершеннее механизм в энергетическом отношении, то есть, тем больше его коэффициент полезного действия. В некоторых случаях удобно вводить

в рассмотрение коэффициент
, и тогда

Из (6.11 в) также следует общеизвестное правило, что коэффициент полезного действия всегда меньше единицы, поскольку работа Ат непроизводственных сопротивлений ни в одном реальном механизме не может равняться нулю. Также из (6.11в) мы можем определить другой частный вид, когда коэффициент полезного действия равен нулю, что возможно при Аа = Ат, то есть когда работа движущих сил равна работе сил непроизводственных сопротивлений механизма. В этом случае механизм движется вхолостую — движение механизма совершается без совершения полезной работы. Если же Адт, то механизм, находящийся в покое, не сможет прийти в действительное движение — явление самоторможения механизма. А если он двигался, то он перейдет самопроизвольно в состояние покоя, постепенно замедляя свой ход — механизм затормозится. Следовательно, получение при теоретических расчетах отрицательного значения коэффициента полезного действия служит признаком самоторможения механизма или невозможности движения механизма в заданном направлении с заданными динамическими характеристиками.

Рис. 6.14. Последовательное соединение механизмов Таким образом, КПД механизма изменяется в диапазоне

а коэффициенты ф и ЧК в пределах

Рассмотрим коэффициент полезного действия нескольких механизмов, соединенных последовательно (рис. 6.14). Первый механизм приводится в движение движущими силами, совершающими работу Аг Так как полезная работа каждого предыдущего механизма является работой движущих сил для каждого последующего, то коэффициент полезного действия каждого из них в отдельности будет равен

Общий коэффициент полезного действия равен
. Его

значение можно получить, если перемножить все отдельные КПД каждого механизма rj,, г|2, … .

Значения работ за полное время установившегося движения машины пропорциональны средним значениям мощностей за тот же период времени. Поэтому (6.11) можно переписать в виде

или

Выше был рассмотрен простейший случай последовательного соединения механизмов. В современных машинах весьма часто соединение механизмов оказывается более сложным, например, таким как показано на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Сложное соединение механизмов

Поток энергии от механизма 2 распределяется по двум направлениям. В свою очередь от механизма 3” поток энергии распределяется также по двум направлениям. Общая работа сил производственных сопротивлений равна Апс = Д, + Д, + Д,. Следовательно, общий КПД всей системы равен

На рис. 6.15 показаны три потока энергии от общего источника энергии: сплошной линией — поток I—I, штриховой линией — поток //—//, штрихпунктирной линией — поток III—III. Работа Лл может быть выражена через работы Д’, Д,, Д, и через соответствующие КПД отдельных механизмов:

где
— общие КПД каждого из потоков I—I, II—II, III—

III, равные

С учетом этого и (6.16), (6.17), общий КПД всей системы механизмов равен

Из этой формулы следует, что общий КПД действия в значительной степени зависит от той схемы распределения потоков энергии, которая была принята при проектировании общей схемы системы механизмов.

Механический коэффициент полезного действия, равный отношению среднего эффективного давления к среднему индикаторному, оценивает механические потери в двигателе:

Механический к. п. д. можно выразить и через мощности двигателя:

Таким образом, механический к. п. д. показывает в долях единицы или в процентах ту часть индикатор­ной мощности, которая передается на фланец коленчатого вала.

Анализ механических потерь в двигателе, выполненный нами ранее, позволяет сделать заключение, что значение механического к. п. д. двига­теля зависит: от степени быстроходности двигателя, от величины давления газов цикла и динамики его изменения, от качества изготовления и сборки деталей двигателя, от качества смазочного масла, от теплового состояния двигателя и режима загрузки его, от мощности навешенных вспомогатель­ных механизмов и от сопротивлений во впускной и выпускной системах двигателя.

При прочих равных условиях механический к. п. д. двигателя является функцией отношения среднего эффективного давления к максимальному давлению цикла; чем больше это отношение, тем выше механический к. п. д.

При уменьшении нагрузки на двигатель (сохраняя при этом число оборотов вала неизменным) мощность механических потерь Nmex примерно остается постоянной, а потому относительное ее значение возрастает и ме­ханический к. п. д. падает.

На рис. 105 приведены кривые изменения механического к. п. д. ?т при полной нагрузке (сплошные кривые) и при 30 % нагрузки (пунктирные кри­вые) двигателя с воспламенением от сжатия (кривая В; ? = 16) и двигателя с воспламенением от искры (кривая А; ? = 6). Данные кривые показывают, что при уменьшении нагрузки на двигатель при неизменном числе оборотов ?т значительно падает. Следует заметить, что при холостом ходе двигателя Ne== 0) из формулы (139а)

Таким образом, режим работы холостого хода можно охарактеризовать как режим, при котором механический к. п. д. равен нулю.

При одном и том же ре (как это видно из рис. 105) с увеличением числа оборотов двигателя (скоростная характеристика) ?т падает, что объясняется более интенсивным относительным ростом мощности механических потерь Nмех, чем эффективной мощности двигателя.

При работе двигателя с наддувом значение ?т изменяется в зависимо­сти от системы и степени наддува. Если двигатель переводится на работу с газотурбинным наддувом, то, как показывают опытные данные, мощность механических потерь Nмех при этом остается неизменной. Обозначим отно­шение ?н = p?н / p?, (степень наддува), где ра — давление в цилиндре в начале сжатия без наддува, а р?н—с наддувом. Можно принять, что отношение Nin / Ni также равно ?н, где Nin — индикаторная мощность двигателя с наддувом, а Ni — без наддува.

Если двигатель имел до наддува механический к. п. д. т. ?m, то при газо­турбинном наддуве он будет иметь:

Полученная формула показывает, что с повышением степени наддува при газотурбинном наддуве механический к. п. д. двигателя возрастает.

В том случае, когда газотурбонагнетатель кинематически связан с валом самого двигателя, отношение ?К = Nк / Ni может быть больше, меньше или равно отношению ?T = NT / Ni в зависимости от степени использования энергии отработавших газов двигателя. Здесь Nк — мощность, потребляе­мая наддувочным компрессором, а NT —мощность, развиваемая турбиной.

В этом случае, т. е. когда газотурбонагнетатель связан кинематически : валом двигателя, условный механический к. п. д. будет равен

где ?тд—механический к. п. д. собственно двигателя.

При ?T > ?К разность (?Т — ?К) называется положительным небалансом, а при ?т<?к(?к — ?Т) называется отрицательным небалансом.

Судовые дизели имеют следующие значения механического к. п. д.