Мощность и коэффициент полезного действия — урок. Физика, 8 класс.

Мощность по своей сути является скоростью выполнения работы. Чем больше мощность совершаемой работы, тем больше работы выполняется за единицу времени.

Среднее значение мощности — это работа, выполненная за единицу времени.

Величина мощности прямо пропорциональна величине совершённой работы \(A\) и обратно пропорциональна времени \(t\), за которое работа была совершена.

Мощность \(N\) определяют по формуле:

N=At.

 

Единицей измерения мощности в системе \(СИ\) является \(Ватт\) (русское обозначение — \(Вт\), международное — \(W\)).

Для определения мощности двигателя автомобилей и других транспортных средств используют исторически более древнюю единицу измерения — лошадиная сила (л.с.), 1 л.с. = 736 Вт.

Пример:

Мощность двигателя автомобиля равна примерно \(90 л.с. = 66240 Вт\).

Мощность автомобиля или другого транспортного средства можно рассчитать, если известна сила тяги автомобиля \(F\) и скорость его движения (v).

N=F⋅v

Эту формулу получают, преобразуя основную формулу определения мощности.

 

Ни одно устройство не способно использовать \(100\) % от начально подведённой к нему энергии на совершение полезной работы. Поэтому важной характеристикой любого устройства является не только мощность, но и коэффициент полезного действия, который показывает, насколько эффективно используется энергия, подведённая к устройству.  

Пример:

Для того чтобы автомобиль двигался, должны вращаться колёса. А для того чтобы вращались колёса, двигатель должен приводить в движение кривошипно-шатунный механизм (механизм, который возвратно-поступательное движение поршня двигателя преобразует во вращательное движение колёс). При этом приводятся во вращение шестерни и большая часть энергии выделяется в виде тепла в окружающее пространство, в результате чего происходит потеря подводимой энергии. Коэффициент полезного действия двигателя автомобиля находится в пределах \(40 — 45\) %. Таким образом, получается, что только около \(40\) % от всего бензина, которым заправляют автомобиль, идёт на совершение необходимой нам полезной работы — перемещение автомобиля.

Если мы заправим в бак автомобиля \(20\) литров бензина, тогда только \(8\) литров будут расходоваться на перемещение автомобиля, а \(12\) литров сгорят без совершения полезной работы.

Коэффициент полезного действия обозначается буквой греческого алфавита \(«эта»\) η, он является отношением полезной мощности \(N\) к полной или общей мощности Nполная.

 

Для его определения используют формулу: η=NNполная. Поскольку по определению коэффициент полезного действия является отношением мощностей, единицы измерения он не имеет.

 

Часто его выражают в процентах. Если коэффициент полезного действия выражают в процентах, тогда используют формулу: η=NNполная⋅100%.

 

Так как мощность является работой, проделанной за единицу времени, тогда коэффициент полезного действия можно выразить как отношение полезной проделанной работы \(A\) к общей или полной проделанной работе Aполная. В этом случае формула для определения коэффициента полезного действия будет выглядеть так:

 

η=AAполная⋅100%.

 

Коэффициент полезного действия всегда меньше \(1\), или \(100\) % (η < 1, или η < \(100\) %).

потребляемая мощность электродвигателя

Причем, как нетрудно заметить, ток, указанный при включении звездой на линейное напряжение 380В, меньше тока при включении треугольником на линейное напряжение, но уже не 380В, а 220В. Почему так? Потому что при таком включении в обоих случаях на обмотках двигателя будет расчетное фазное напряжение 220В, на которое и мотались обмотки электродвигателя. Т.е. как бы вы не включали двигатель, звездой ли на линейное напряжение 380В или треугольником на линейное напряжение 220В, в обоих вариантах на каждой из обмоток будет 220В. Однако, электрическая мощность электродвигателя при этом останется, что и требуется в таких случаях, неизменной — 16кВА. И проверить это легко. А вот линейные токи будут разными. И если при включении такого двигателя на 3-х фазное линейное напряжение 380В линейный ток во всех фазах будет равен току через обмотки и составит 24,3А, то при включении двигателя на 3-х фазное линейное напряжение 220В ток во всех фазах составит 43А, а вот через обмотки будет равен, как и при включении «звездой», 24,3А. Такая особенность возникает из-за того, что согласно закона Кирхгофа для узлов, мы получим, что токи через обмоткм равны: IAB=IA+IAC=24,3А, IBC=IB+IAB=24,3А, ICA=IC+IBC=24,3А. Все это продемонстрировано на рис.1 и рис.2.
Иногда на шильдике двигателя можно увидеть обозначение не 220/380 для включения треугольником и звездой соответственно, а 380/660. Это означает, что данный двигатель для его работы в номинальном режиме должен включаться либо «треугольником» на линейное напряжение 380В, либо «звездой» на линейное напряжение 660В. Пример такого шильдика приведен на рисунке. Рссмотрим его параметры. Полезная механическая мощность на валу 5,5кВт. КПД двигателя не приведен, поэтому найти активную электрическую его мощность по формуле Ра=Р/η, как по первому шильдику мы не можем. Однако, мы всегда можем воспользоваться формулой мощности 3-х фазной цепи с учетом cosφ. При включении «треугольником» на 380В имеем:. Откуда Ра=1,732*380*11,8*0,83=6,45кВт. Таким же образом можно было найти активную мощность первого двигателя по первому шильдику. Но вернемся к рассматриваемому двигателю. Если нас интересует его КПД, то мы можем воспользоваться уже выше рассмотренной формулой Ра=Р/η, откуда η=Р/Ра. Поэтому η=5,5/6,45=0,853. А это 85,3%. Для случая 660В имеем: Ра=1,732*660*6,8*0,83=6,45кВт. Т.е. как и говорилось выше, независимо от схемы включения в соответствии с заданными линейными напряжениями, номинальная электрическая мощность двигателя неизменна. Полную мощность данного электродвигателя можно вычислить либо как S=Pa/cosφ=6,45/0,853=7,56кВА, либо как для «треугольника», либо как . Небольшая разница в сотых из-за предыдущих округленных значений. Но, в общем-то, как видим, нет разницы каким образом вычислять.

Крутящий момент и зависимость крутящего момента

Как рассчитать крутящий момент, зная обороты и мощность двигателя?

Крутящий момент напрямую зависит от мощности и числа оборотов двигателя в минуту. Имеется общепринятая формула расчета крутящего момента, выражаемого в Ньютон-метрах ( русское обозначение Н·м, международное N·m ) 

 

M = P х 9550 / N

 

Где P

— это мощность двигателя в киловаттах (кВт)

N — обороты вала в минуту

 

 

Как рассчитать мощность двигателя, зная крутящий момент и обороты?

Для такого расчета существует формула:

 

P = M х N / 9550

 

Где M — это крутящий момент двигателя

N — это обороты двигателя

 

Для скорости и простоты расчета воспользуйтесь удобным калькулятором крутящего момента. Впишите в ячейки калькулятора имеющиеся значения и калькулятор автоматически проставит результаты расчета.

 

Калькулятор крутящего момента

Как определить мощность электродвигателя?

Какими способами можно определить мощность электродвигателя?

Электрический двигатель представляет собой электрическую машину, роль которой заключается в преобразовании электрической энергии в энергию механическую.

Нередко случаются ситуации, когда технический паспорт электродвигателя теряется, а маркировка на корпусе стирается в силу времени. В таком случае определить мощность электродвигателя становится сложно.

Но существует несколько способов, которые помогут Вам справиться с подобной проблемой.

Определить мощность электродвигателя можно следующими способами:

• используя практические измерения;
• таблицы;
• исходя из количества оборотов в минуту;
• по габаритам;
• на основе мощности, которая выдается двигателем.

Практическое определение мощности электродвигателя

Наиболее простым и доступным каждому способом определить мощность электродвигателя является снятие показаний счетчика электрической энергии.

Изначально необходимо отключить все бытовые электроприборы, выключить свет во всем помещении. Важно помнить, что работа даже небольшой маломощной лампочки может сильно исказить показания.

Обратите внимание на то, чтобы счетчик оставался неподвижным, а индикатор не мигал (все зависит от модели электрического счетчика).

В случае со счетчиком марки «Меркурий» процесс существенно облегчается, поскольку данная модель устройства отображает нагрузку в киловаттах (кВт). Следовательно, будет достаточно просто включить электродвигатель на всю мощность и посмотреть показания на счетчике.

В ситуации с индукционным счетчиком определить мощность электродвигателя будет несколько сложнее, поскольку учет ведется в киловаттах в час (кВт/ч). Сначала требуется записать показания счетчика до того, как включите мотор. После включения двигатель должен поработать в течение 10 минут. Для отслеживания времени пользуйтесь секундомером, точность периода работы очень важна. По прошествии 10 минут снимите новые показания счетчиков и способом вычитания выявите разницу. Разницу умножьте на 6. Итоговый результат будет обозначать мощность электродвигателя в киловаттах (кВт).

Определить мощность электродвигателя небольшой силы еще сложнее. Для этого нужно узнать количество оборотов (импульсов), равных 1 кВт/ч.

Данную информацию Вы отыщите на счетчике. Возьмем для примера 1600 оборотов (в некоторых моделях вспышек индикатора). Итак, если при функционирующем электродвигателе электросчетчик совершает 20 об/мин, данную цифру нужно умножить на 60, т.е. количество минут в часе. В итоге получаем 1200 об/мин. После имеющиеся 1600 оборотов в минуту делим на 1200, получаем 1,3, что и являет собой мощность электродвигателя.

Определение мощности электродвигателя по таблицам

Сегодня люди за помощью все чаще обращаются к интернету, ведь там можно найти абсолютно любую информацию. Также при помощи глобальной сети Вы можете определить мощность электродвигателя по диаметру вала.

Для использования данного метода вычисления достаточно в интернете отыскать технические таблицы для распознавания типа мотора и его мощности, а также снять необходимые параметры (диаметр вала и частота его вращения, крепежные габариты, при фланцевом двигателе – диаметр фланца, расстояние до центра вала и расстояние до оси, длина мотора без выпирающего элемента вала).

Важно при таком способе быть терпеливым и внимательным, чтобы точно измерить все показатели и получить точный результат.

Как определить мощность электродвигателя по числу оборотов за одну минуту?

Применение данного способа для определения мощности электродвигателя требует визуального определения числа обмоток статора. Также необходимо применение специальных измерительных приборов, таких как тестер или миллиамперметр. для распознавания количества полюсов, чтобы избежать разбора мотора.

Измерительный прибор подключается к одной из обмоток. Вал при этом нужно вращать равномерно и постепенно. Отклонение стрелки и будет показывать количество полюсов. Важно учитывать тот факт, что частота вращения вала при таком способе определения мощности будет немного ниже полученного результата.

Определение мощности электродвигателя на основе его габаритов

Данный способ используется в основном для определения мощности трехфазных электродвигателей.

Для расчета мощности по габаритам необходимо знать:

• диаметр сердечника (см) – D. Измерение происходит во внутренней части статора. При этом необходимо знать длину сердечника, учитывая вентиляционные отверстия;
• показатель частоты валового вращения – n;
• частота сети – f.

Используя данные значения, вычисляется полюсное деление. Для этого показатель диаметра (D) умножается на частоту валового вращения (n) и на число Пи. Итоговую цифру обозначим условно А.

Показатель частоты сети f умножается на 120, получаем (условно) В.

Получив значения А и В, осуществляем их деление, а именно: число А делим на число В. В итоге получаем необходимый нам показатель мощности электродвигателя.

На самом деле все не так уж сложно, достаточно вспомнить уроки математики в школе.

Способ определения по показателю мощности, что выдает электродвигатель

В данном случае необходимо снова обратиться к знаниям школьной математики, а также использовать калькулятор для точного вычисления.

Сначала узнайте количество оборотов вала в секунду (А), тяговое усилие мотора (В) и радиус вала (С). Подставьте значения в следующую формулу: Аx6,28xBxC. Результат и есть мощность электродвигателя.

Зная мощность электродвигателя, Вы без труда сможете выбрать необходимое сопутствующее оборудование (тепловые реле и автоматические выключатели). Также, знание данного показателя поможет Вам легко и быстро узнать пропускную способность и норму сечения кабельно-проводниковой продукции для подсоединения двигателя к сети. Самое главное – Вы сможете использовать электродвигатель без вероятности перегрузок.

Как видите, определить мощность электродвигателя без бирки можно и при чем довольно просто. Способов достаточное количество. Вам остается лишь выбрать наиболее удобный и правдивый на ваш взгляд и воспользоваться им.

Выбор электродвигателя и расчет его рабочих параметров

Правильность подбора электродвигателя, учитывающая специфику приводного механизма, условия работы и окружающей среды, определяет длительность безаварийной работы и надежность системы «двигатель – нагрузка».

Далее приведены рекомендации по выбору электродвигателя (последовательность, в которой они представлены, не является обязательной).

На первом этапе необходимо определиться с типом электрического двигателя. Ниже даны краткое описание, преимущества и недостатки, сферы предпочтительного применения основных типов двигателей.

Типы электрических двигателей

1. Двигатели постоянного тока

Основным преимуществом данных двигателей, которое определяло повсеместное их использование на этапе развития электрических приводов, является легкость плавного регулирования скорости в широких пределах. Поэтому с развитием полупроводниковой промышленности и появлением относительно недорогих преобразователей частоты процент их использования постоянно уменьшается. Там, где это возможно двигатели постоянного тока заменяются приводами на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Основные недостатки двигателя постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации) обусловлены наличием коллекторного узла. Кроме того, для питания двигателя необходим источник постоянного тока или тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное. При всех своих недостатках двигатели постоянного тока обладают высоким пусковым моментом и большой перегрузочной способностью. Что определило их использование в металлургической промышленности, станкостроении и на электротранспорте.

2. Синхронные двигатели

Основным преимуществом данных двигателей является то, что они могут работать с коэффициентом мощности cosφ=1, а в режиме перевозбуждения даже отдавать реактивную мощность в сеть, что благоприятно сказывается на характеристиках сети: увеличивается ее коэффициент мощности, уменьшаются потери и падение напряжения. Кроме того, синхронные двигатели устойчивы к колебаниям сети. Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален напряжению, при этом момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность их работы при аварийных понижениях напряжения. Больший воздушный зазор по сравнению с асинхронным двигателем и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше. Их особенностью также является постоянство скорости вращения при изменении момента нагрузки на валу.

При всех достоинствах синхронного двигателя основными недостатками, ограничивающими их применение являются сложность конструкции, наличие возбудителя, высокая цена, сложность пуска. Поэтому синхронные двигатели преимущественно используются при мощностях свыше 100 кВт.

Основное применение – насосы, компрессоры, вентиляторы, двигатель-генераторные установки.

3. Асинхронные двигатели

По конструктивному принципу асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. При этом большинство используемых электродвигателей являются асинхронными с короткозамкнутым ротором. Столь широкое применение обусловлено простотой их конструкции, обслуживания и эксплуатации, высокой надежностью, относительно низкой стоимостью. Недостатками таких двигателей являются большой пусковой ток, относительно малый пусковой момент, чувствительность к изменениям параметров сети, а для плавного регулирования скорости необходим преобразователь частоты. Кроме того, асинхронные двигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Использование асинхронных двигателей с фазным ротором помогает снизить пусковой ток и существенно увеличить пусковой момент, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов. Однако, ввиду усложнения их конструкции, и как следствие, увеличения стоимости их применение ограничено. Основное применение – приводы механизмов с особо тяжелыми условиями пуска. Для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть использовано устройство плавного пуска или преобразователь частоты.

В системах, где необходимо ступенчатое изменение скорости (например, лифты) используют многоскоростные асинхронные двигатели. В механизмах, требующих остановки за определенное время и фиксации вала при исчезновении напряжения питания, применяются асинхронные двигатели с электромагнитным тормозом (металлообрабатывающие станки, лебедки). Существуют также асинхронные двигатели с повышенным скольжением, которые предназначены для работы в повторно-кратковременных режимах, а также режимах с пульсирующей нагрузкой.

После того, как определен тип электродвигателя, полностью учитывающий специфику рабочего механизма и условия работы, необходимо определиться с рабочими параметрами двигателя: мощностью, номинальным и пусковым моментами, номинальными напряжением и током, режимом работы, коэффициентом мощности, классом энергоэффективности.

Мощность и моменты

В общем случае для квалифицированного подбора электродвигателя должна быть известна нагрузочная диаграмма механизма. Однако, в случае постоянной или слабо меняющейся нагрузки без регулирования скорости достаточно рассчитать требуемую мощность по теоретическим или эмпирическим формулам, зная рабочие параметры нагрузки. Ниже приведены формулы для расчета мощности двигателя P₂ [кВт] некоторых механизмов.

1. Вентилятор

где Q [м³/с] – производительность вентилятора,

Н [Па] – давление на выходе вентилятора,

η_вент, η_пер – КПД вентилятора и передаточного механизма соответственно,

k_з – коэффициент запаса.

2. Насос

где Q [м³/с] – производительность насоса,

g=9,8 м/с² – ускорение свободного падения,

H [м] – расчетная высота подъема,

ρ [кг/м³] – плотность перекачиваемой жидкости,

η_нас, η_пер – КПД насоса и передаточного механизма соответственно,

k_з – коэффициент запаса.

3. Поршневой компрессор

где Q [м³/с] – производительность компрессора,

А [Дж/м³] – работа изотермического и адиабатического сжатия атмосферного воздуха объемом 1 м³ давлением 1,1·10⁵ Па до требуемого давления,

η_компр, η_пер – КПД компрессора и передаточного механизма соответственно,

k_з – коэффициент запаса.

Кроме того, необходимо сопоставить пусковой момент двигателя (особенно в случае асинхронного с короткозамкнутым ротором) и рабочего механизма, так как некоторые механизмы имеют повышенное сопротивление в момент трогания. Следует иметь в виду и то обстоятельство, что при замене трехфазного асинхронного двигателя на однофазный пусковой момент последнего почти в три раза меньше и механизм, успешно функционировавший ранее, может не тронуться с места.

Развиваемый электродвигателем момент M [Нм] и полезная мощность на валу Р₂ [кВт] связаны следующим соотношением

Полная мощность, потребляемая из сети:

для двигателей постоянного тока (она же активная)

для двигателей переменного тока

 

 

при этом потребляемые активная и реактивная мощности соответственно

В случае синхронного двигателя значение Q₁ может получиться отрицательным, это означает, что двигатель отдает реактивную мощность в сеть.

Важно отметить следующее. Не следует выбирать двигатель с большим запасом по мощности, так как это приведет к снижению его КПД, а в случае двигателя переменного тока также к снижению коэффициента мощности.

Напряжение и ток

При выборе напряжения электродвигателя необходимо учитывать возможности системы энергоснабжения предприятия. При этом нецелесообразно при больших мощностях выбирать двигатель с низким напряжением, так как это приведет к неоправданному удорожанию не только двигателя, но и питающих проводов и коммутационной аппаратуры вследствие увеличения расхода меди.

Если при трогании момент сопротивления нагрузки невелик и для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть применен способ пуска с переключением со «звезды» на «треугольник», необходимо предусмотреть вывод в клеммную коробку всех шести зажимов обмотки статора. В общем случае применение схемы соединения «звезда» является предпочтительным, так как в схеме «треугольник» имеется контур для протекания токов нулевой последовательности, которые приводят к нагреву обмотки и снижению КПД двигателя, в соединении «звезда» такой контур отсутствует.

Режим работы

Нагрузка электродвигателя в процессе работы может изменяться различным образом. ГОСТом предусмотрены восемь режимов работы.

1. Продолжительный S1 – режим работы при постоянной нагрузке в течение времени, за которое температура двигателя достигает установившегося значения. Мощность двигателя, работающего в данном режиме, рассчитывается исходя из потребляемой механизмом мощности. Формулы расчета мощности некоторых механизмов (насос, вентилятор, компрессор) приведены выше.
2. Кратковременный S2 – режим, при котором за время включения на постоянную нагрузку температура двигателя не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. В случае использования двигателя S1 для работы в режиме S2 необходимо проверить его только по перегрузочной способности, так как температура не успевает достичь допустимого значения.
3. Повторно-кратковременный S3 – режим с периодическим отключением двигателя, при котором за время включения температура не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения – температуры окружающей среды. Расчет мощности электродвигателя обычного исполнения для работы в режиме S3 производится по методам эквивалентных величин с учетом пауз и потерь в переходных режимах. Кроме того, двигатель необходимо проверить на допустимое число включений в час. В случае большого числа включений в час рекомендуется использовать двигатели с повышенным скольжением. Данные электродвигатели обладают повышенным сопротивлением обмотки ротора, а, следовательно, меньшими пусковыми и тормозными потерями.
4. Повторно-кратковременный с частыми пусками S4 и повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением S5. Данные режимы рассматриваются аналогично режиму S3.
5. Перемежающийся S6 – режим, при котором работа двигателя под нагрузкой, периодически заменяется работой на холостом ходу. Большинство двигателей, работающих в продолжительном режиме, имеют меняющийся график нагрузки.

При этом для обоснованного выбора двигателя с целью оптимального его использования рекомендуется применять методы эквивалентных величин.

Класс энергоэффективности

В настоящее время вопросам энергоэффективности уделяется огромное внимание. При этом под энергоэффективностью понимается рациональное использование энергетических ресурсов, с помощью которого достигается уменьшение потребления энергии при том же уровне мощности нагрузки. Основным показателем энергоэффективности двигателя является его коэффициент полезного действия

где Р₂ – полезная мощность на валу, Р₁ – потребляемая активная мощность из сети.

Стандартом IEC 60034-30 для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором были установлены три класса энергоэффективности: IE1, IE2, IE3.

 

Рис. 1. Классы энергоэффективности

Так, например, использование двигателя мощностью 55 кВт повышенного класса энергоэффективности позволяет сэкономить около 8000 кВт в год от одного двигателя.

Степень защиты IP, виды климатических условий и категорий размещения

ГОСТ Р МЭК 60034-5 – 2007 устанавливает классификацию степеней защиты, обеспечиваемых оболочками машин.

Обозначение степени защиты состоит из букв латинского алфавита IP и последующих двух цифр (например, IP55).

Большинство электродвигателей, выпускаемых в настоящее время, имеют степени защиты IP54 и IP55.

Категория размещения обозначается цифрой:

1 – на открытом воздухе;

2 – под навесом при отсутствии прямого солнечного воздействия и атмосферных осадков;

3 – в закрытых помещениях без искусственного регулирования климатических условий;

4 – в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

Климатические условия:

У – умеренный климат;

УХЛ – умеренно холодный климат;

ХЛ – холодный климат;

Т – тропический климат.

Таким образом, при выборе электродвигателя необходимо учитывать условия окружающей среды (температура, влажность), а также необходимость защиты двигателя от воздействия инородных предметов и воды.

Например, использование электродвигателя с типом климатического исполнения и категорией размещения У3 на открытом воздухе является недопустимым.

Усилия, действующие на вал двигателя со стороны нагрузки

Наиболее нагруженными в двигателе являются подшипниковые узлы. Поэтому при выборе двигателя должны быть учтены радиальные и осевые усилия, действующие на рабочий конец вала двигателя со стороны нагрузки. Превышения допустимых значений сил приводит к ускоренному выходу из строя не только подшипников, но и всего двигателя (например, задевание ротора о статор).

Обычно допустимые значения сил для каждого подшипника приведены в каталогах. Рекомендуется в случае повышенных радиальных усилий (ременная передача) на рабочий конец вала установить роликовый подшипник, при этом предпочтительным является двигатель с чугунными подшипниковыми щитами.

Особенности конструкции двигателя при работе от преобразователя частоты

В настоящее время все большее распространение приобретает использование частотно-регулируемого привода (ЧРП), выполненного на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

При использовании частотно-регулируемого привода достигается:

1. экономия электроэнергии;

2. плавность пуска и снижение пусковых токов;

3. увеличение срока службы двигателя.

В общем случае стандартный электродвигатель нельзя использовать в составе частотно-регулируемого привода, так как при уменьшении скорости вращения снижается эффективность охлаждения. При регулировании скорости вверх от номинальной резко увеличивается нагрузка от собственного вентилятора. В обоих случаях уменьшается нагрузочная способность двигателя. Кроме того, в случае использования двигателя в системах точного регулирования необходим датчик положения ротора двигателя.

При работе электродвигателя от преобразователя частоты в контуре вал – фундаментная плита могут протекать токи. При этом возникает точечная эрозия на шариках и роликах, на беговых кольцах подшипников качения, а также на баббитовой поверхности подшипников скольжения. От электролиза смазка чернеет, подшипники греются. Для разрыва контура прохождения подшипниковых токов на неприводной конец вала устанавливается изолированный подшипник. При этом по условиям безопасности установка изолированных подшипников с двух сторон двигателя не допустима.

Величина подшипниковых токов становится опасной для безаварийной работы двигателя при напряжении между противоположными концами вала более 0,5 В. Поэтому установка изолированного подшипника обычно требуется для электродвигателей с высотой оси вращения более 280 мм.

 Примечание

Необходимо отметить, что в случае отклонения условий эксплуатации двигателя (например, температуры окружающей среды или высоты над уровнем моря), мощность нагрузки должна быть изменена. Кроме того, при снижении мощности нагрузки в определенные моменты времени для рационального использования двигателя может быть изменена схема соединения обмотки, а, следовательно, и фазное напряжение.

 

Популярные товары

Шины медные плетеные

Шины изолированные гибкие и твердые

Шинодержатели

Изоляторы

Индикаторы наличия напряжения

Мощность двигателя: индикаторная и эффективная

В идеальном поршневом двигателе подводимое тепло частично превращается в полезную работу, частично отдается холодному источнику.

СодержаниеСвернуть

В реальном двигателе тепло, выделяющееся при сгорании топлива, частично переходит в так называемую “эффективную” работу; остальная часть составляет тепловые потери двигателя. Под эффективной работой понимают полезную работу, совершаемую двигателем на фланце отбора мощности.

Тепловой баланс судового дизеля и его составляющие

Характер распределения тепла в двигателе по основным статьям может быть оценен на основе внешнего теплового баланса. Баланс составляется по данным экспериментальных исследований двигателя на различных установившихся режимах его работы (когда стабилизируется тепловое состояние). Тепловой баланс может быть абсолютным, выраженным в абсолютных единицах (ккал/час, кДж/час), или удельным, когда каждая составляющая баланса относится к единице мощности двигателя. В обоих случаях баланс можно выразить в % или долях от общего количества тепла, способного выделиться от сгорания всего топлива, подаваемого в цилиндры.

Уравнение баланса тепла имеет вид:

Qm = Qe + Qохл + Qгаз + Qнб,         Форм. 1

где:

• Q_т — располагаемое тепло топлива, сгоревшего в рабочих цилиндрах;
• Q_e — тепло, эквивалентное эффективной работе;
• Q_охл — тепло, отводимое в охлаждающую жидкость;
• Q_газ — тепло, уходящее с отработавшими газами;
• Q_{нб — “невязка” баланса.}

Qe = Qi + Qм,         Форм. 2

где:

• Q_i и Q_{м — доли тепла, идущие соответственно на совершение индикаторной работы в цилиндре дизеля и на преодоление механических потерь (сил трения в цилиндро-поршневой группе, в подшипниках, привод навешанных на двигатель механизмов и т. д.).}

Тепло, израсходованное на механические потери Q_{мех, переходит в основном в охлаждающую жидкость. Тепло от трения поршня и поршневых колец по втулке цилиндра отводится через тело втулки в охлаждающую воду. Тепло от трения в подшипниках поглощается циркуляционным маслом и затем отдается охлаждающей воде в масляном холодильнике. Отдельно тепло Qм при внешнем балансе не определяется — оно учитывается членом Qохл. Доля тепла механических потерь, не воспринимаемая охлаждающей жидкостью, включается в член Qнб (насосные потери, привод навешанных механизмов).}

Член Q_охл, кроме тепла трения, учитывает тепло, передаваемое от горячих газов к стенкам цилиндровой втулки, крышке, поршню, распылителю форсунки и отводимую в охлаждающую среду (воду, топливо, масло). Величина Q_{нб учитывает частично механические потери, а также потери от неполноты сгорания топлива, потери в окружающую среду (воздух) и невязку баланса из-за недостаточной точности определения основных статей баланса.}

Распределение располагаемого тепла Q_т по составляющим членам теплового баланса зависит от типа двигателя, его нагрузки, степени быстроходности, способа охлаждения, размерности и т. д. Процентное соотношение статей внешнего баланса современного малооборотного дизеля с газотурбинным наддувом при его работе на номинальной нагрузке имеет вид: Q_e = 38 ÷ 52 %, Q_охл = 19 ÷ 26 %, Q_газ = 26 ÷ 42 %. У двигателя без надула Q_e = 29 ÷ 42 %, Q_охл = 20 ÷ 35 %, Q_газ = 25 ÷ 40 %.

Форсирование двигателя по частоте вращения или по наддуву уменьшает относительные потери в охлаждающую среду, однако увеличивает потери с выпускными газами. У двигателей с газотурбинным наддувом такое перераспределение статей баланса выгодно, так как позволяет использовать энергию газов в турбине для повышения давления продувочного воздуха. У маломощных двигателей с небольшими диаметрами цилиндров потери в охлаждающую среду больше за счет относительно большей поверхности охлаждения. При снижении нагрузки дизеля доля тепла, отводимого в охлаждающую среду, возрастает, за счет чего снижается доля эффективно используемого тепла Q_e.

При прочих равных условиях, баланс тепла в 2-х и 4-тактных дизелях примерно одинаков. Однако, учитывая более высокий уровень форсировки по наддуву современных 4-тактных ДВС, можно отметить дальнейшее уменьшение в них доли Q_охл (до 10 ÷ 18 %).

В современных силовых установках теплоходов теплота, уходящая с газами и с водой, частично утилизируется, что повышает КПД всей установки. Возможности утилизации тепла охлаждающей воды ограничены ввиду невысокого температурного уровня — максимальная температура ее не превышает 65 ÷ 85 °C. Это тепло обычно используется для опреснения забортной воды в вакуумных опреснительных установках. Принципиально это тепло можно использовать в рефрижераторных установках на рефрижераторных судах или для подогрева питательной воды в контуре утилизационного турбогенератора.

Тепло уходящих газов используется для наддува двигателя в газовой турбине; после турбины тепло газов утилизируется в утилизационных котлах. Котлы могут давать горячую воду или пар низкого давления (2 ÷ 7 бар) для бытовых нужд, пар для работы вспомогательных механизмов (в том числе для утилизационного турбогенератора) или разогрева нефтепродуктов. По данным фирмы Зульцер, путем утилизации тепла выпускных газов полезное теплоиспользование можно повысить на ~ 15 %.

Индикаторная и эффективная мощность двигателя

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:

Ni = pmi FS n60mi, кВт,

• 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_mi МПа), то формулу можно записать в виде:

Ni =pmi·Vs·n0,06mi, кВт,          Форм.  3

где:

• V_s = 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:

Ni = pmiFSn·10460·75mi,   или   Ni = pmi·Vs·n0.45mi, илс         Форм. 4

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

Ni = pmi·Vs·n0.441mi, илс.            Фом. 5

В практике часто используется другая разновидность этой формулы:

Ni =C · pmi·n·i, илс,          Форм. 6

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 суммированием моностей цилиндров:

Ni =Σ Niц.

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:

Ni =Ni – Nм           Форм. 7

По аналогии с зависимостью (Формула 5) можно записать:

Ni = pe·Vs·n0.441mi, элс,          Форм. 8

где:

• p_e — среднее эффективное давление, бар.

Среднее эффективное давление меньше среднего индикаторного давления на величину p_м:

pe = pmi – pм.         Форм. 9

Величина p_м — некоторое условное давление, постоянное на протяжении всего рабочего хода поршня, идущие на покрытие механических потерь двигателя.

Как следует из формулы 3, 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 N_i оказывает диаметр D, входящий в формулу 3 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 цилиндро-поршневой 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 C_m = 6,5 ÷ 7,0 м/с. 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/с средней скорости поршня. Примером могут служить длинноходовые модели фирмы Бурмейстер и Вайн: в одном из двигателей S70 МС при D = 700 мм, S = 2 800 мм, S/D = 4, n = 91 об/мин, средняя скорость движения поршня равна C_m = 8,5 м/с.

У среднеоборотных дизелей диаметры цилиндров достигли значений D = 400 ÷ 650 мм, отношение S/D = 1,0 + 1,2, n = 350 ÷ 750 об/мин при C_m = 7 + 10 м/сек.

Индикаторная мощность увеличивается пропорционально числу цилиндров. Максимальное число цилиндров у рядных двигателей достигает i = 10 ÷ 14, 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 N_{i m = 1} = (1,75 ÷ 1,85) N_{i 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 N_eц = 5 490 ÷ 6 950 кВт (7 470 ÷ 9 450 элс), у среднеоборотных — 1 100 – 1 325 кВт (1 500 ÷ 1 800 элс) в цилиндре.

Определение среднего индикаторного давления

В условиях эксплуатации среднее индикаторное давление p_mi, определяется путем снятия и планиметрирования индикаторных диаграмм (рис. 1).

Рис. 1 Индикаторная диаграмма двигателя 6L80GF (Т/х «Капитан Димов», 31.07.89, n = 94,5 об/мин )

После определения площади диаграммы p_mi рассчитывается по формуле:

где:

• F_i — площадь диаграммы, мм;
• l — длина диаграммы, мм;
• M_p — масштабный коэффициент индикатора, мм/кг/см².

В электронных системах определения нагрузки цилиндра могут быть сняты развернутая и нормальная (рис. 2) индикаторные диаграммы. Среднее индикаторное давление в таких системах определяется методами приближенного интегрирования. Все необходимые расчеты выполняются по программе без участия механика.

Рис. 2 Нормальная индикаторная диаграмма, снятая электронной системой MALIN 3000

При теоретических расчетах среднее индикаторное давление может быть найдено с помощью теоретической индикаторной диаграммы (путем ее планиметрирования по аналогии с рассмотренным выше) или расчетным путем. Расчетная зависимость для определения p_i впервые выведена проф. Е. К.Мазингом на основе общих уравнений термодинамики.

Как известно, работа политропного сжатия рабочего тела от точки “а” до точки “с” цикла с показателем политропы n₁ определяется равенством:

Lсж=nI–1–1 PcVc–PaVa,          Форм. 11

Работа расширения газов при постоянном давлении P_z от точки “z₁“ до точки “z” цикла равна:

Lp′=PzVz–Vc,         Форм. 12

Работа политропного расширения в теоретическом цикле от точки “z” до точки “b” с показателем политропы n₂ определится как:

Lp″=n2–1–1 PzVz–PbVb.          Форм. 13

Индикаторная работа теоретического цикла равна алгебраической сумме работ расширения и сжатия:

Li=Lp′+Lp″+Lсж.          Форм. 14

Подставляя значения слагаемых правой части, можно получить:

Li=PzVcVzVc–1+PzVzn2–1·1–PbVbPzVz–PcVcn1–1·1–PaVaPcVc.

Так как:

Pz=λ Pc;

Vz=ρ Vc;

PbVb/PzVz=Tb/Tz=Vz/Vbn2–1=1/εm2–1;

PaVa/PcVc=Ta/Tc=Vc/Van1–1=1/εmI–1;

То:

Li=λPcρVc·1n2–1·1–1δn2–1–PcVc·1n1–1·1–1εn1–1+λPcVc·ρ–1.

Или:

Li=PcVc·λρ·1n2–1·1–1δn2–1–1n1–1·1–1εni–1+λρ–1.          Форм. 15

В 4-тактном двигателе среднее индикаторное давление определяется равенством (Принцип действия ДВС, основные понятияВычисление среднего индикаторного давления):

pmi = Li/Vs.

Тогда теоретическое давление расчетного цикла определится как (с учетом соотношения

Vc/Vs = 1/ε–1

):

Pit=Pcε–1·λρ·1n2–1·1–1δn2–1–1n1–1·1–1εn1–1+λρ–1.          Форм. 16

В 2-тактном двигателе теоретическое индикаторное давление P_it, отнесенное к полному ходу поршня, будет меньше давления, найденного по формуле 16. Это объясняется тем, что индикаторная работа, определяемая равенством (Формула 15), относится к полезному ходу поршня. В 4-тактном двигателе полезный ход может быть принят равным полному. В 2-тактном двигателе необходимо учитывать долю потерянного хода поршня Ψ_s. Тогда теоретическое давление P_it определится из соотношения:

Li=PitVполезн.         Форм. 17

Поскольку

Vполезн=VS1–ψs,

то:

 

Pit=Pcε–1·λρ·1n2–1·1–1δn2–1–1n1–1·1–1εn1–1+λρ–1·1–ψs.          Форм. 18

Это — более общее уравнение для расчета теоретического индикаторного давления в 2-тактных двигателях, которое может быть использовано и для расчета высокофорсированных 4-тактных двигателей, у которых пренебрежение потерянным ходом поршня дает большие погрешности.

Расчетное значение среднего индикаторного давления принимается с учетом так называемого “коэффициента скругления” ξ теоретической индикаторной диаграммы:

pmi=pit ξ.          Форм. 19

Теоретической диаграмме придается форма, возможно более близкая к реальной; скругление диаграммы производится от руки (рис. 3).

Рис. 3 Скругление теоретической индикаторной диаграммы

Для 4-тактных двигателей коэффициент скругления, учитывающий уменьшение площади диаграммы в результате скругления, лежит в пределах:

ξ = 0.95 ÷ 0.97.

В 2-х тактных двигателях с неуправляемым выпуском, когда выпускные окна закрываются позже продувочных, Рабочие процессы дизелейпроцесс сжатия начинается после закрытия выпускных окон (рис. 4, а).

Рис. 4 Скругление хвостовой части теоретической индикаторной диаграммы 2-тактного дизеля при неуправляемом (а) и управляемом (б) выпусков

Поэтому теоретическая диаграмма замыкается в точке “b”. В процессе расширения после открытия выпускных окон давление в цилиндре не падает мгновенно — газы продолжают совершать полезную работу. Увеличение работы можно учесть, подрисовав от руки хвостовую часть диаграммы. Это приращение площади хвостовой части компенсирует потери по скруглению диаграммы в районе ВМТ. Поэтому коэффициент скругления для данного случая может быть принят равным 1: ξ = 1.

У 2-тактных двигателей с управляемым выпуском (рис. 4, б) выпуск газов из цилиндра начинается в точке b ранее расчетной точки “b” (поскольку диаграмма замыкается по моменту начала сжатия — точке “a”). В этом случае имеются дополнительные потери площади индикаторной диаграммы в ее хвостовой части. Коэффициент скругления находится в пределах:

ξ = 0.94 ÷ 0.96.

Среднее индикаторное давление численно равно работе с единицы объема цилиндра, следовательно, не зависит от геометрических размеров цилиндра. Оно зависит от степени наддува и может быть использовано для оценки уровня форсировки двигателя. У 2-тактных дизелей, выпускаемых промышленностью, среднее индикаторное давление находится в пределах:

• p_mi = 0,55 ÷ 0,7 МПа — 2-тактные двигатели без наддува;
• p_mi = 0,7 ÷ 2,1 МПа — судовые двухтактные двигатели с наддувом;
• p_mi = 0,7 ÷ 0,9 МПа — 4-тактные двигатели без наддува;
• p_mi = 1,0 ÷ 2,7 МПа — судовые 4-тактные двигатели с наддувом.

В процессе испытаний опытных двигателей на стенде получены уровни форсировки, характеризуемые p_mi = 4,0 МПа.

Коэффициенты полезного действия и их взаимосвязь

При анализе идеальных циклов дана зависимость (Принцип действия ДВС, основные понятияВычисление полного объема цилиндра) для термического КПД цикла со смешанным подводом тепла:

ηt=1—1εk–1 ·λρk–1λ–1+kλρ–1.

Эта зависимость учитывает единственную потерю-передачу тепла холодному источнику Q_x. В реальном двигателе это-тепло с уходящими газами Q_газ. Поэтому можно записать:

ηt=(Qг—Qx)/Qг≈(QT—Qгаз)/QТ.          Форм. 20

Кроме того, в реальном двигателе имеются дополнительные потери тепла Q_mn из-за теплообмена с охлаждающей двигатель жидкостью и с окружающей средой. Все потери тепла в цилиндре реального двигателя учитываются индикаторным коэффициентом полезного действия η_i:

ηi=(QГ—QХ)/QГ—QТП/QГ=Q i/QТ.          Форм. 21

Индикаторный КПД есть отношение тепла Q_i, эквивалентного индикаторной работе газов в цилиндре, ко всему теплу от сгорания топлива Q_Т. Значение η_i, выраженное через индикаторную мощность N_i, имеет вид:

ηi=3 600·NiGm·Qн,         Форм. 22

где:

• 3 600 N_i — количество тепла, превращенного в полезную работу в цилиндре за 1 час, кДж/час;
• Q_н — теплотворная способность топлива, кДж/кг;
• G_m — часовой расход топлива, кг/час.

Связь между термическим и индикаторным КПД устанавливается с помощью относительного индикаторного коэффициента полезного действия η_io:

ηI = ηt ηio.

Коэффициент η_io учитывает дополнительные потери теплоты в охлаждающую соеду, степень приближения рабочего цикла двигателя к идеальному. Абсолютное значение η_io для дизелей лежит в пределах: η_io = 0,7 ÷ 0,85.

Все потери в двигателе, включая механические Q_м, учитываются эффективным коэффициентом полезного действия:

ηe = QГ – QХ/QГ – QТ.П./QГ – QМ/QГ = Qe/Qm.          Форм. 23

По аналогии с формулой 22 можно записать:

ηe=3 600·NeGm·Qн.           Форм. 24

Связь между индикаторным и эффективным КПД устанавливается с помощью механического коэффициента полезного действия η_м:

ηе=ηi ηм=ηt  ηio  ηм.          Форм. 25

Механический КПД учитывает все механические потери, входящие в долю Q_м теплового баланса двигателя. Можно написать:

ηм =ηе/ηi;         Форм. 26

ηм =Ne/Ni=(Ni—Nм)/NI=1—Nм/Ni;          Форм. 27

ηм = Pе/Pi = 1–Рм/Pmi.          Форм. 28

Наиболее важным показателем экономичности работы двигателя является эффективный КПД η_e, величина котрого определяется значениями η_I, η_м и зависит от конструктивных и эксплуатационных параметров дизеля. На величину η_e оказывают влияние:

• степень сжатия ε;
• нагрузка и частота вращения двигателя;
• способ и качество смесеобразования;
• скорость сгорания топлива;
• угол опережения подачи топлива φ_нп;
• величина относительной доли тепла Q_oxл;
• момент начала фазы выпуска;
• соотношение между N_м и N_i и т. д.

Возрастание степени сжатия ε приводит к росту термического КПД и через η_t — к возрастанию η_e. О величинах ε и соображениях но выбору этого параметра говорилось при рассмотрении процесса сжатия.

Влияние нагрузки и частоты вращения двигателя на экономичность цикла проявляется, прежде всего, через коэффициент избытка воздуха на сгорание α. С увеличением α от 1,3 ÷ 1,8 до 2,5 ÷ 3,0 индикаторный КПД интенсивно растет. Дальнейшее увеличение α до 3 ÷ 3,5 незначительно влияет на изменение величины η_i. Рост η_i при увеличении α объясняется более благоприятными условиями сгорания топлива, смещением процесса сгорания ближе к ВМТ и снижением доли тепла с уходящими газами. Однако при больших α (свыше 3 ÷ 3,5) доля тепла с уходящими газами возрастает, что ведет к уменьшению η_i.

Способ и качество смесеобразования влияет на “местные” значения α в данной точке цилиндра. При плохом распыливании и некачественном смесеобразовании процесс сгорания ухудшается, растягивается на линию расширения, доля Q_газ увеличивается, что приводит к снижению η_i и η_e. К таким же последствиям приводит уменьшение скорости сгорания топлива (при ухудшении его качества) и уменьшение угла опережения подачи топлива.

При повышении температуры охлаждающей воды и масла тепловые потери (доля Q_охл) снижаются, что увеличивает η_i. Это одна из причин, почему не следует держать температуру охлаждения ниже уровня, рекомендованного фирмой-строителем.

Момент начала выпуска газов из цилиндра влияет на долю Q_газ тепла с уходящими газами и соответственно на индикторный КПД. У двигателей с газотурбинным наддувом угол опережения газовыпуска увеличивается для повышения мощности газовой турбины (чем больше уровень форсировки, тем больше при прочих равных условиях угол опережения газовыпуска). Это неминуемо снижает индикаторный КПД цилиндра. Однако эффективный КПД удается сохранить при форсировке двигателя на том же уровне или даже повысить главным образом за счет увеличения механического КПД.

Соотношение между N_мех и N_i, определяющее механический КПД, зависит от уровня форсировки двигателя и его типа. Как видно из формулы 27, η_м увеличивается с увеличением N_i или уменьшением N_м. Мощность механических потерь конкретного дизеля незначительно зависит от нагрузки двигателя (среднего индикаторного давления p_mi), а зависит главным образом от частоты вращения коленчатого вала. Поэтому в двигателях с наддувом η_м увеличивается, так как индикаторная мощность растет, а мощность механических потерь при неизменной частоте вращения остается той же. В ряде случаев N_м при наддуве снижается (в частности, при замене приводного нагнетателя воздуха газотурбинным).

При постоянной частоте вращения двигателя с уменьшением его нагрузки p_mi и N_i уменьшаются, N_м практически не изменяется. Механический КПД уменьшается. Наконец, когда N_i упадет до величины N_м, механический КПД станет равным 0. Этот режим носит название “холостого хода” (N_e = 0).

При неизменном положении топливной рейки двигателя, когда обеспечена примерно постоянная цикловая подача топлива, p_mi ≈ const. При увеличении частоты вращения мощность механических потерь N_м растет примерно пропорционально частоте вращения n при p_м = const. Следовательно, если частота вращения изменяется при застопоренной топливной рейке, то механический КПД не изменится: η_м ≈ const.

Если при равных геометрических размерах и одинаковых частотах вращения в 2-х и 4-тактном двигателях обеспечить p_mi = idem, то мощность механических потерь у двигателей также будет одинаковой. Однако механический КПД у 2-тактного двигателя должен быть больше за счет большей индикаторной мощности.

Теоретически механический КПД может оказаться больше 1 у 4-тактного дизеля. Объясняется это тем, что p_м (формула 28) учитывает все механические потери, в том числе потери насосных ходов поршня p_н: p_м = p_тр+ p_н. Если во время насосных ходов совершается полезная работа за счет предварительно сжатого воздуха, то давление p_н может превысить давление на преодоление сил трения p_тр: p_н > p_тр. Тогда:

ηм=1—pм/pmi=1—(pтр—pн)/pmi=1+(pн—pтр)/pmi>1.

Непременным (но недостаточным) условием этого неравенства является: давление при впуске воздуха в цилиндр должно быть больше, чем давление выталкивания газов. В рассматриваемом случае при η_м > 1, η_е > η_i, что противоречит физической сути понятий КПД. К этому привела нестрого обоснованная традиция учитывать работу насосных ходов поршня механическим КПД.

У выполненных конструкций двигателей численные значения КПД находятся в пределах (таблица)

Численное значение КПД
Наименование КПД	4-тактные среднеоборотные дизели		2-тактные малооборотные дизели
	без наддува	с наддувом	без наддува	с наддувом
Механический ηm	0,75 ÷ 0,85	0,85 ÷ 0,95	0,70 ÷ 0,85	0,86 ÷ 0,96
Индикаторный ηi	0,47 ÷ 0,50	0,44 ÷ 0,51	0,47 ÷ 0,50	0,44 ÷ 0,55
Эффективный ηe	0,37 ÷ 0,40	0,39 ÷ 0,47	0,33 ÷ 0,40	0,39 ÷ 0,52

Удельные расходы топлива

Удельным расходом топлива называется отношение часового расхода топлива G_m к мощности двигателя. Различают удельный эффективный расход топлива g_e и удельный индикаторный расход топлива g_i:

ge = Gт/Ne; gi =Gт/Ni .          Форм. 29

Удельные расходы топлива, определенные в процессе эксплуатации, позволяют судить о техническом состоянии дизеля путем сравнения с паспортными параметрами по расходу топлива.

Зная удельные расходы топлива, несложно определить индикаторный и эффективный КПД; для этого перепишем формулу 22 в виде: η_i = 3 600 N_i/(G_m Q_Н), 3 600/(G_m(N_i)^-1 Q_Н). С учетом зависимостей (Формула 29) формула примет вид:

ηi= 3 600/(gi QН), или gi = 3 600/QН ηi.         Форм. 30

Аналогично:

ge = 3 600/(Qн ηe)          Форм. 31

Как видно из последних формул, удельные расходы топлива обратно пропорциональны КПД и определяются теми же факторами, рассмотренными в статье Процессы газообмена в СДВС“Процессы газообмена”.

Для теоретических расчетов экономичности рабочих процессов дизелей используется формула удельного индикаторного расхода топлива, выраженная через коэффициент наполнения η_н. Выведем эту зависимость.

Можно написать, что объемный часовой расход воздуха на двигатель при параметрах P_s, T_s равен:

Vч = Vs ηН (n 60 i)/m, м3/час.          Форм. 32

Необходимый объем воздуха для сгорания 1 кг топлива V₁ при теоретически необходимом на сгорание объеме

L0″

с параметрами P_s, T_s, и коэффициенте избытка воздуха на сгорание α определится зависимостью:

V1 = α L0′ , м3/кг,          Форм. 33

где:

Часовой расход топлива равен отношению всего расхода воздуха на двигатель к потребному расходу на сжигание на 1 кг топлива:

Gт = Vч/V1 = (Vs ηН n 60 i)/(m α L0‘‘).         Форм. 34

Поскольку индикаторная мощность двигателя равна:

Ni = pmi (Vs n i)/(0,45 m)

то удельный индикаторный расход топлива g_i определится равенством:

gi = Gт/Ni = (Vs ηН 60 n i/(m α L0″)) (0,45 m/(pmi Vs n i)) = 27 ηН/(pmi α L0″).

Так как:

L0″  = L0′ νs =  μB Lo νs;

νs = RTs/(Ps 104) = 29,3 Ts/(Ps 104);

μB= 28,97 кг/моль;

где:

• L_o – теоретически необходимое количество воздуха, моль/кг;
• ν_s — удельный объем воздуха при параметрах P_s, T_s, кг/м³,

то:

L0″ = 28,97 Lo 29,3 Ts/(Ps 104) = Lo Ts/(11,8 Ps).          Форм. 35

Подставив это значение 

L0″

в формулу для определения g_i, окончательно получим:

gi = 318,4·ηн·Psα·L0·pmi·Ts, кг/илс–час.          Форм. 36

В последней зависимости приняты размерности величин:

Ps кг/см2, Ts K, pmi кг/см2, Lo – кмоль/кг.

Вид зависимости не изменится, если давление продувочного воздуха и среднее индикаторное давление будут иметь размерность бар или МПа.

Если расход топлива отнести к кВт-час, то при той же размерности исходных величин формула принимает вид:

gi = 433·ηн·Psα·L0·pmi·Ts кг/кВт–час.          Форм. 32

У современных судовых дизелей удельные расходы топлива находятся в пределах:

gi = 156 ÷ 197 г/кВт–час (115 ÷ 145 г/илс–час);

ge = 166 ÷ 218 г/кВт–час (122 ÷ 160 г/элс–час).

У высокофорсированных 4-тактных двигателей удельные эффективные расходы топлива достигли 190 г/кВт-час (140 г/элс-час) и даже ниже. Согласно сообщениям ведущих дизелестроительных фирм, минимальные удельные расходы топлива достигнуты у сверхдлинноходовых малооборотных дизелей. Они составляют 166-177 г/кВт-час (122-130 г/элс-час).

Сноски

Sea-Man

Как определить мощность электродвигателя

Как устроен электродвигатель

В основе работы мотора лежит принцип электромагнитной индукции. Прибор состоит из двух частей. Неподвижная часть — статор для двигателей переменного тока или индуктор для двигателей постоянного тока. Подвижная часть — ротор для двигателей переменного тока или якорь для двигателей постоянного тока. Производители выпускают моторы разных технических характеристик и комплектаций, но подвижная и неподвижная часть остаются без изменений.

Что такое мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя характеризует скорость преобразования электрической энергии, ее принято измерять в ваттах. Чтобы понять, как это работает, нам понадобится две величины: сила тока и напряжение. Сила тока — количество тока, которое проходит через поперечное сечение за какой-то отрезок времени, ее принято измерять в амперах. Напряжение — величина, равная работе по перемещению заряда между двумя точками цепи, ее принято измерять в вольтах.

Если говорить простыми словами, силу тока и напряжение можно сравнить с водой. Сила тока — скорость, с которой течет вода по трубам. Напряжение видно на примере двух емкостей, соединенные между собой трубкой. Если вы поставите одну емкость выше другой, вода будет вытекать до тех пор, пока уровни в обеих емкостях не сравняются. Именно перепад высот и будет напряжением. После того, как вы поставите заглушку между двумя емкостями, течение воды (ток) остановится, но напряжение останется.

Для расчета мощности используется формула N = A/t, где:

N — мощность;

А — работа;

t — время.

Расчет мощности электродвигателя

Производители указывают на электрооборудовани все технические параметры. «Зачем тогда делать какой-то расчет?», — скажете вы. Но дело в том, что заявленная мощность — это не фактическая мощность электродвигателя, а максимально допустимая мощность электропотока. Так что, если на вашей технике или инструменте указана мощность, к примеру, в 1000 Вт, это совсем не то, о чем вы думаете.

Три способа определить мощность электродвигателя

Для расчета мощности существует не один десяток способов. Мы не будем говорить о каждом из них, остановившись лишь на самым простых и доступных.

Первый способ. Расчет по таблицам

Для этого способа расчета вам понадобится линейка или штангенциркуль. С их помощью измерьте диаметр вала вашего электродвигателя, длину мотора (выступающие части вала не учитывайте) и расстояние до оси. С использованием полученных цифр вы сможете определить мощность электродвигателя по таблицам технических характеристик двигателей. Найти такие таблицы не составит труда — они есть в открытом доступе в сети интернет. Открыв таблицу, определите серию электродвигателя и, соответственно, его технические характеристики.

Второй способ. Расчет по счетчику

Указанный способ считается самым простым, вам не понадобятся ни дополнительное оборудование, ни расчеты. Перед тем, как приступить к измерению мощности электродвигателя, выключите все электроприборы из сети. Включите испытуемый электродвигатель и запустите его в работу на 5-7 минут. Если в вашем доме установлен современный счетчик, он покажет нагрузку в киловаттах.

Третий способ. Расчет по габаритам

Для этого способа вам понадобится линейка или штангенциркуль. Измерьте диаметр сердечника с внутренней стороны и длину (учитывайте длину отверстий вентиляции). Определите частоту сети и синхронную частоту вращения вала. Умножьте диаметр сердечника в сантиметрах на синхронную частоту вращения вала, полученное значение умножьте на 3,14, поделите на частоту сети, умноженную на 120.

Технические характеристики двигателя

F1 2020: Насколько мощны двигатели Формулы 1, каковы их компоненты?

Технические характеристики двигателей F1 2020: двигатели Формулы 1 составляют основу автомобилей, и мы посмотрим на мощность, которую несут нынешние автомобили F1.

Мощность автомобиля Формулы 1 измеряется в ваттах. Ватт — это просто скорость передачи энергии за единицу времени.

В Формуле 1 нет правил, регулирующих количество мощности, которую команда может использовать в своих машинах.Есть мысли о технических характеристиках двигателя, которые необходимо соблюдать. Технические характеристики: четырехтактные двигатели объемом 1,6 л с турбонаддувом и 90-градусным турбонаддувом. Максимальная частота вращения двигателя составляет 15 000 оборотов в минуту (об / мин).

Если говорить о количестве вырабатываемой мощности, то точные цифры строго засекречены поставщиками двигателей. Текущие поставщики двигателей F1 — Ferrari, Mercedes, Honda и Renault. Считается, что Mercedes имеет максимальную мощность в лошадиных силах (л.с.).Далее идет Ferrari, а Renault и Honda значительно отстают от двух гигантов. Команды вкладывают много денег в исследования, чтобы получить дополнительное преимущество в мощных двигателях.

Общая мощность двигателя F1 измеряется после расчета мощности двигателей V6 и системы рекуперации энергии (ERS). Принимая во внимание разработку двигателя вышеупомянутыми поставщиками двигателей, считается, что нынешние автомобили F1 имеют больше, чем магическое число в 1000 л.с. Несмотря на это, автомобили F1 чрезвычайно безопасны в управлении, с хорошей топливной экономичностью, а крупные аварии редко регистрируются на трассах.

Элементы двигателя Формулы-1

Современный силовой агрегат Формулы-1, в который входит двигатель, состоит из шести основных компонентов. Наиболее важным из них является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который соединяет шасси с коробкой передач. Второй компонент — это турбонагнетатель (TC), который регулирует плотность воздуха для выработки дополнительной мощности в двигателях.

Затем есть два типа мотор-генераторов — кинетический (MGU-K) и тепловой (MGU-H). MGU-K собирает и сохраняет кинетическую энергию при торможении автомобиля.MGU-H подключен к турбонагнетателю и использует отработанную энергию выхлопных газов, что способствует общей мощности.

Современные двигатели V6 с турбонаддувом содержат электрическую энергию, хранящуюся в так называемом хранилище энергии (ES). Все 5 элементов контролируются последним элементом, управляющей электроникой (CE). Проще говоря, это ЦП (центральный процессор) машины F1. Каждый пилот F1 может использовать три ICE, MGU-H и TC и два ES, CE и MGU-K за один сезон,

Что такое мощность (лс)? Как рассчитать мощность

Что такое лошадиные силы? Как я могу рассчитать свою мощность в лошадиных силах? Это общие вопросы, которые мы получаем от наших клиентов.Чтобы ответить на этот вопрос, давайте сначала определим, что такое лошадиные силы.

лошадиных сил, как и любая единица мощности, — это просто скорость, с которой выполняется работа. Буквально, единица лошадиных сил возникла в результате эксперимента по измерению мощности отдельной лошади. Было установлено, что лошадь способна выполнять работу 33 000 фунт-сила-футов в минуту. Мы обратимся к этому номеру позже в объяснении.

Во-первых, несколько уравнений, которые помогут вам рассчитать мощность в лошадиных силах:

Мощность = Работа / Время

Мощность = (Сила x Расстояние) / Время

Для электродвигателей мощность или мощность в лошадиных силах можно рассчитать по крутящему моменту и скорости.Например, если у вас есть двигатель, рассчитанный на 3000 об / мин и 6 дюйм-фунтов, то мощность в лошадиных силах рассчитывается ниже.

Лошадиная сила = (3000 x 6) / 63025 = 0,286

63025 является константой при использовании оборотов в минуту для скорости и фунт-сил для единиц крутящего момента. 5252 — еще одна распространенная константа, если скорость выражена в об / мин, а крутящий момент — в фут-фунт-силах. Если единицы измерения разные, просто произведите преобразование единиц.

Получение этих констант выполняется с использованием 33 000 фунт-сила-футов / мин = 1 л.с.Хотя единицы мощности являются производными от 33000 фунт-сила-футов в минуту, это не критично для понимания того, как рассчитать мощность двигателя в зависимости от скорости и крутящего момента.

Еще одна распространенная единица мощности, которую определяют двигатели, — это ватты. Преобразование ватт в лошадиные силы составляет 745,7 Вт = 1 л.с.

Чтобы помочь проектировщикам с иногда трудным преобразованием единиц измерения, Groschopp разработал калькулятор MOTORTEC STP, бесплатную загружаемую программу, которая обеспечивает быстрый и простой способ расчета скорости, крутящего момента или мощности.Преобразование наиболее часто используемых единиц выбирается, генерируется автоматически и может быть распечатано.

• Расчет скорости, крутящего момента и мощности
• Расчет расчетного электрического тока и потерь для выбора оптимального двигателя
• Простое и точное преобразование единиц измерения
• Настраиваемая функция печатного отчета
• Расчет эксплуатационных расходов

Понимание взаимосвязи между двумя, EPI Inc.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ:

Крутящий момент измеряется; Мощность рассчитана на

ПРИМЕЧАНИЕ: Все наши продукты, конструкции и услуги ЯВЛЯЮТСЯ ОРГАНИЧЕСКИМИ, БЕЗ ГЛЮТЕНА, НЕ СОДЕРЖАТ ГМО и не нарушают чьи-либо драгоценные ЧУВСТВА.

Для того, чтобы подробно обсудить силовые установки, важно понимать концепции POWER и TORQUE .

ОДНАКО, чтобы понять POWER , вы должны сначала понять ENERGY и WORK .

Если вы какое-то время не просматривали эти концепции, было бы полезно сделать это перед изучением этой статьи. НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, чтобы получить быстрый обзор Energy and Work.

Часто кажется, что люди не понимают отношения между МОЩНОСТЬЮ и МОМЕНТОМ. Например, мы слышали, как производители двигателей , консультанты по распределительным валам и другие «технические эксперты » спрашивали клиентов:

«Вы хотите, чтобы ваш двигатель давал ЛОШАДЬ или МОМЕНТ?»

И этот вопрос обычно задают тоном, который убедительно свидетельствует о том, что эти «эксперты» верят, что мощность и крутящий момент каким-то образом исключают друг друга.

На самом деле верно обратное, и вы должны четко понимать следующие факты:

1. МОЩНОСТЬ (скорость выполнения РАБОТЫ) зависит от МОМЕНТА и ОБ / МИН .
2. МОМЕНТ и ОБ / МИН — ИЗМЕРЕНИЕ мощности двигателя.
3. МОЩНОСТЬ ВЫЧИСЛЯЕТСЯ из крутящего момента и числа оборотов в минуту по следующему уравнению:

л.с. = крутящий момент x об / мин ÷ 5252

(Для всех, кто интересуется, внизу этой страницы показан вывод этого уравнения.)

Двигатель вырабатывает МОЩНОСТЬ за счет ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА, который может оказывать заданное значение МОМЕНТ на нагрузку при заданных об / мин . Величина МОМЕНТА, которую может проявить двигатель, обычно зависит от числа оборотов.

МОМЕНТ

МОМЕНТ определяется как СИЛА вокруг заданной точки, приложенная на расстоянии РАДИУС от этой точки. Обратите внимание, что единицей МОМЕНТА является фунт-фут (часто неверно), а единицей WORK является один фут-фунт .

Рисунок 1

Ссылаясь на , рис. 1 , предположим, что ручка прикреплена к шатуну так, чтобы она была параллельна поддерживаемому валу и расположена на радиусе 12 дюймов от центра вала. В этом примере рассмотрим вал, который должен быть прикреплен к стене . Пусть стрелка представляет силу в 100 фунтов, приложенную в направлении, перпендикулярном ручке и шатуну, как показано на рисунке.

Поскольку вал прикреплен к стене, вал не вращается, но к валу прилагается крутящий момент , равный 100 фунт-фут (100 фунтов на 1 фут).

ПРИМЕЧАНИЕ , что ЕСЛИ шатун на эскизе был вдвое длиннее (т. Е. Рукоятка была расположена в 24 дюймах от центра вала), то же усилие в 100 фунтов, приложенное к рукоятке, дало бы 200 фунт-фут. крутящего момента (100 фунтов умножить на 2 фута)

МОЩНОСТЬ

МОЩНОСТЬ — это мера того, сколько РАБОТ может быть выполнено за указанное ВРЕМЯ. В примере на странице «Работа и энергия» парень, толкающий машину, сделал 16 500 фут-фунтов из РАБОТА .Если бы он проделал эту работу за две минуты, он произвел бы 8250 фут-фунтов в минуту POWER (165 футов x 100 фунтов ÷ 2 минуты). Если вам неясно, что такое РАБОТА и ЭНЕРГИЯ, было бы полезно ознакомиться с этими концепциями ЗДЕСЬ.

Точно так же, как одна тонна имеет большой вес (по определению 2000 фунтов), одна лошадиных сил представляет собой большое количество мощности. Определение одной лошадиной силы — 33000 фут-фунтов в минуту . Мощность, которую парень произвел, толкая свою машину по участку (8250 футов фунтов в минуту), равна лошадиных сил (8 250 ÷ 33 000).

Хорошо, все в порядке, но как толкание машины через парковку связано с вращающимися механизмами?

Рассмотрим следующее изменение в приведенном выше эскизе рукоятки и кривошипа . Рукоятка по-прежнему находится на расстоянии 12 дюймов от центра вала, но теперь, вместо того, чтобы быть прикрепленным к стене, вал теперь проходит через стену, опираясь на подшипники качения, и прикреплен к генератору за стеной.

Предположим, как показано на рис. , рис. 2 , что постоянная сила в 100 фунтов.каким-то образом прикладывается к рукоятке, так что сила всегда перпендикулярна как рукоятке, так и шатуну, когда шатун поворачивается. Другими словами, «стрелка» вращается вместе с рукояткой и остается в том же положении относительно рукоятки и рукоятки, как показано в приведенной ниже последовательности. (Это называется «касательной силой»).

Рисунок 2

Если эта постоянная тангенциальная сила в 100 фунтов, приложенная к 12-дюймовой рукоятке (крутящий момент 100 фунт-фут), заставляет вал вращаться со скоростью 2000 об / мин, тогда мощность , передаваемая валом генератору за стеной, равна 38 HP , рассчитывается следующим образом:

100 фунт-фут крутящего момента (100 фунт-футов)x 1 фут), умноженное на 2000 об / мин, деленное на 5252, составляет 38 л.с.

Следующие примеры иллюстрируют несколько различных значений МОМЕНТА, которые производят 300 л.с.

Пример 1 : Какой МОМЕНТ требуется для производства 300 л.с. при 2700 об / мин?

, поскольку HP = МОМЕНТ x ОБ / МИН ÷ 5252
, а затем перегруппировав уравнение:
МОМЕНТ = HP x 5252 ÷ ОБ / МИН

Ответ: МОМЕНТ = 300 x 5252 ÷ 2700 = 584 фунт-фут.

Пример 2: Какой МОМЕНТ требуется для производства 300 л.с. при 4600 об / мин?

Ответ: МОМЕНТ = 300 x 5252 ÷ 4600 = 343 фунт-фут.

Пример 3: Какой МОМЕНТ требуется для производства 300 л.с. при 8000 об / мин?

Ответ: МОМЕНТ = 300 x 5252 ÷ 8000 = 197 фунт-фут.

Пример 4: Какой МОМЕНТ дает секция турбины 41 000 об / мин газотурбинного двигателя мощностью 300 л.с.?

Ответ: МОМЕНТ = 300 x 5252 ÷ 41000 = 38,4 фунт-фут.

Пример 5: Выходной вал коробки передач двигателя в Примере 4 выше вращается со скоростью 1591 об / мин.Какой МОМЕНТ доступен на этом валу?

Ответ: МОМЕНТ = 300 x 5252 ÷ 1591 = 991 фунт-фут.

(без учета потерь в редукторе, конечно).

Из этих чисел следует сделать вывод, что определенное количество лошадиных сил может быть получено из бесконечного числа комбинаций крутящего момента и числа оборотов в минуту.

Подумайте об этом по-другому: в автомобилях равного веса 2-литровый двигатель с двумя распредвалами, развивающий 300 л.с. при 8000 об / мин (197 фунт-фут) и 400 л.с. при 10000 об / мин (210 фунт-фут), поможет вам. угла так же, как 5-литровый двигатель, который развивает 300 л.с. при 4000 об / мин (394 фунт-фут) и 400 л.с. при 5000 об / мин (420 фунт-фут).Фактически, в автомобилях равного веса меньший двигатель, вероятно, будет гоняться ЛУЧШЕ, потому что он намного легче и, следовательно, снижает нагрузку на переднюю часть. И, в действительности, автомобиль с более легким 2-литровым двигателем, вероятно, будет весить меньше, чем большой автомобиль с двигателем V8, поэтому он будет лучшим гоночным автомобилем по нескольким причинам.

Измерение мощности

Динамометр определяет мощность POWER , которую производит двигатель, прикладывая нагрузку к выходному валу двигателя с помощью водяного тормоза, генератора, поглотителя вихревых токов или любого другого управляемого устройства, способного поглощать мощность.Система управления динамометром заставляет поглотитель точно соответствовать количеству МОМЕНТ , которое двигатель производит в этот момент, затем измеряет , что МОМЕНТ и об / мин вала двигателя, и на основе этих двух измерений он вычисляет наблюдается мощности. Затем он применяет различные факторы (температура воздуха, барометрическое давление, относительная влажность), чтобы скорректировать наблюдаемую мощность до значения, которое было бы, если бы оно было измерено при стандартных атмосферных условиях , называемое скорректированной мощностью .

Мощность для привода насоса

В ходе работы с множеством различных проектов двигателей мы часто слышим предположение, что мощность двигателя может быть увеличена за счет использования «лучшего» масляного насоса. В этом предположении подразумевается вера в то, что «лучший» масляный насос имеет более высокую эффективность перекачивания и, следовательно, может обеспечивать требуемый поток при требуемом давлении, потребляя при этом меньше энергии от коленчатого вала. Хотя это технически верно, величина улучшения на удивление мала.

Сколько мощности требуется, чтобы привести в действие насос с известным потоком при известном давлении? Мы уже показали, что мощность — это работа в единицу времени, и пока мы будем придерживаться старых добрых американских единиц (фут-фунт в минуту и ​​дюйм-фунт в минуту). И мы знаем, что поток умножить на давление равно МОЩНОСТЬ , как показано:

Расход (кубических дюймов / мин) умноженный на давление (фунты / квадратный дюйм) = МОЩНОСТЬ (дюйм-фунты / мин)

Далее достаточно просто умножить на соответствующие константы, чтобы получить уравнение, которое вычисляет HP по давлению, умноженному на расход.Поскольку расход чаще всего указывается в галлонах в минуту, и поскольку хорошо известно, что в галлоне содержится 231 кубический дюйм, то:

Расход (галлонов в минуту) x 231 (кубический дюйм / галлон) = расход (кубический дюйм в минуту).

Поскольку, как объяснено выше, 1 л.с. — это 33 000 фут-фунтов работы в минуту, умножение этого числа на 12 дает количество дюйм-фунтов работы в минуту в одном HP (396 000). Разделив 396 000 на 231, мы получим коэффициент преобразования единиц 1714,3. Следовательно, простое уравнение:

Насос HP = расход (галлонов в минуту) x давление (PSI) / 1714.

Это уравнение представляет мощность, потребляемую насосом со 100% КПД. Когда в уравнение включается КПД насоса, оно становится:

.

Насос HP = (расход {GPM} x давление {PSI} / (1714 x КПД)

Обычные шестеренчатые насосы обычно работают с КПД от 75 до 80%. Итак, предположим, что вашему полностью алюминиевому двигателю V8 требуется 10 галлонов в минуту при 50 фунтах на квадратный дюйм. Масляный насос будет рассчитан на поддержание некоторого предпочтительного уровня давления масла на холостом ходу, когда двигатель и масло горячие, поэтому насос будет иметь гораздо большую производительность, чем требуется для поддержания 10 галлонов в минуту при 50 фунтах на квадратный дюйм при рабочей скорости.(Это то, что делает «предохранительный» клапан: отводит избыточную пропускную способность обратно на вход насоса, что, в качестве дополнительного преимущества, также значительно снижает предполагаемую кавитацию во входной линии насоса.)

Итак, предположим, что ваш насос с 75% -ным КПД поддерживает 50 фунтов на квадратный дюйм при рабочей скорости и обеспечивает 10 галлонов в минуту, необходимые для двигателя. Фактически он перекачивает примерно 50 галлонов в минуту (10 из которых проходят через двигатель, а оставшиеся 40 — через предохранительный клапан) при 50 фунтах на квадратный дюйм. Мощность для привода этой ступени нагнетательного насоса:

л.с. = (50 галлонов в минуту x 50 фунтов на кв. Дюйм) / (1714 x 0.75 КПД) = 1,95 л.с.

Предположим, вы поддались шумихе и выложили действительно большие деньги за насос с эффективностью 90%. Этот насос (при том же расходе и давлении) потребляет:

л.с. = (50 галлонов в минуту x 50 фунтов на кв. Дюйм) / (эффективность 1714 x 0,90) = 1,62 л.с.

ВАУ. Чистый прирост 1/3 HP. Может ли ВАШ дино даже точно измерить разницу в 1 л.с.?

Общие наблюдения

Чтобы спроектировать двигатель для конкретного применения, полезно построить график оптимальной кривой мощности для этого конкретного приложения, а затем на основе этой проектной информации определить кривую крутящего момента, которая требуется для получения желаемой кривой мощности.Оценивая требования к крутящему моменту по сравнению с реалистичными значениями BMEP, вы можете определить разумность целевой кривой мощности.

Обычно пик крутящего момента происходит при значительно более низких оборотах в минуту, чем пиковая мощность. Причина в том, что, как правило, кривая крутящего момента не спадает (в%) так быстро, как увеличивается число оборотов в минуту (в%). Для гоночного двигателя часто бывает полезно (в рамках граничных условий приложения) эксплуатировать двигатель намного выше пика мощности, чтобы обеспечить максимальную среднюю мощность в требуемом диапазоне оборотов.

Однако для двигателя, который работает в относительно узком диапазоне оборотов, такого как авиационный двигатель, обычно требуется, чтобы двигатель вырабатывал максимальную мощность при максимальных оборотах. Для этого требуется, чтобы пик крутящего момента был достаточно близок к максимальным оборотам в минуту. Для авиационного двигателя вы обычно проектируете кривую крутящего момента так, чтобы она была максимальной при нормальном крейсерском режиме и оставалась ровной до максимальных оборотов. Такое расположение кривой крутящего момента позволило бы двигателю производить значительно большую мощность, если бы он мог работать на более высоких оборотах, но цель состоит в том, чтобы оптимизировать производительность в пределах рабочего диапазона.

Пример этой концепции показан на Рисунке 3 ниже. Три пунктирные линии представляют три разные кривые крутящего момента, каждая из которых имеет точно такую ​​же форму и значения крутящего момента, но с пиковыми значениями крутящего момента, расположенными при разных значениях числа оборотов в минуту. Сплошные линии показывают мощность, создаваемую кривыми крутящего момента того же цвета.

Рисунок 3

Обратите внимание, что с пиком крутящего момента 587 фунт-фут при 3000 об / мин розовая линия электропередачи достигает пика примерно 375 л.с. между 3500 и 3750 об / мин.С той же кривой крутящего момента, перемещенной вправо на 1500 об / мин (черный, пик крутящего момента 587 фунт-фут при 4500 об / мин), пиковая мощность подскакивает примерно до 535 л.с. при 5000 об / мин. Опять же, перемещение той же кривой крутящего момента вправо еще на 1500 об / мин (синий, пик крутящего момента 587 фунт-фут при 6000 об / мин) приводит к максимальной мощности около 696 л.с. при 6500 об / мин

Используя в качестве примера черные кривые, обратите внимание, что двигатель выдает 500 л.с. при 4500 и 5400 об / мин, что означает, что двигатель может выполнять такой же объем работы за единицу времени (мощности) при 4500, что и при 5400.ОДНАКО, он будет сжигать меньше топлива для выработки 450 л.с. при 4500 об / мин, чем при 5400 об / мин, потому что паразитные потери мощности (мощность, потребляемая для вращения коленчатого вала, компонентов возвратно-поступательного движения, клапанного механизма) увеличивается пропорционально квадрату частоты вращения коленчатого вала.

Диапазон оборотов, в котором двигатель развивает максимальный крутящий момент, ограничен. Вы можете настроить двигатель так, чтобы он имел высокий пиковый крутящий момент с очень узким диапазоном или более низкое значение пикового крутящего момента в более широком диапазоне. Эти характеристики обычно продиктованы параметрами приложения, для которого предназначен двигатель.

Пример этого показан на Рисунке 4 ниже. Это то же самое, что и график на Рисунке 3 (выше), ЗА ИСКЛЮЧЕНИЕМ, синяя кривая крутящего момента была изменена (как показано зеленой линией), поэтому она не спадает так быстро. Обратите внимание, как это приводит к тому, что зеленая линия электропередачи выходит за пределы пикового крутящего момента. Такого рода изменение кривой крутящего момента может быть достигнуто путем изменения различных ключевых компонентов, включая (но не ограничиваясь) профили выступов кулачков, разделение выступов кулачков, длину впускных и / или выпускных направляющих, поперечное сечение впускных и / или выпускных направляющих.Изменения, направленные на расширение пика крутящего момента, неизбежно уменьшат значение пикового крутящего момента, но желательность данного изменения определяется применением.

Рисунок 4

Вывод уравнения мощности

(для всех, кто интересуется)

Эта часть может не представлять интереса для большинства читателей, но несколько человек спрашивали:

«Хорошо, если л.с. = ОБ / МОМ x МОМЕНТ ÷ 5252 , тогда откуда 5252?»

Вот и ответ.

По определению, МОЩНОСТЬ = СИЛА x РАССТОЯНИЕ ÷ ВРЕМЯ (как описано выше под заголовком МОЩНОСТЬ )

Используя пример на Рисунке 2 выше, где постоянная тангенциальная сила в 100 фунтов была приложена к 12-дюймовой рукоятке, вращающейся со скоростью 2000 об / мин, мы знаем задействованную силу , поэтому для расчета мощности нам потребуется расстояние до ручки. перемещений на единицу время , выражается как:

Мощность = 100 фунтов x расстояние в минуту

Хорошо, как далеко перемещается рукоятка кривошипа за одну минуту? Сначала определите расстояние, на которое он проходит за один оборот :

РАССТОЯНИЕ за оборот = 2 x π x радиус

РАССТОЯНИЕ за оборот.= 2 x 3,1416 x 1 фут = 6,283 фута

Теперь мы знаем, как далеко кривошип перемещается за один оборот. Как далеко заводится за минут ?

РАССТОЯНИЕ в мин. = 6,283 фута на оборот х 2000 изм. за мин. = 12,566 футов в минуту

Теперь мы знаем достаточно, чтобы вычислить мощность, определенную как:

МОЩНОСТЬ = УСИЛИЕ x РАССТОЯНИЕ ÷ ВРЕМЯ
, так что
Мощность = 100 фунтов x 12566 футов в минуту = 1,256,600 фут-фунтов в минуту

Пух, а как насчет ЛОШАДЕЙ? Помните, что одна ЛОШАДЬ определяется как 33000 фут-фунтов работы в минуту .Следовательно, HP = МОЩНОСТЬ (фут-фунт в минуту) ÷ 33000. Мы уже подсчитали, что мощность, подаваемая на кривошипное колесо выше, составляет 1 256 600 фут-фунтов в минуту.

Сколько это HP?

л.с. = (1,256,600 ÷ 33,000) = 38,1 л.с.

Теперь мы объединяем кое-что, что мы уже знаем, чтобы произвести магию 5252. Мы уже знаем это:

МОМЕНТ = СИЛА x РАДИУС.

Если мы разделим обе части этого уравнения на РАДИУС, мы получим:

(a) СИЛА = МОМЕНТ ÷ РАДИУС

Теперь, если РАССТОЯНИЕ на оборот = РАДИУС x 2 x π, то

(b) РАССТОЯНИЕ в минуту = РАДИУС x 2 x π x об / мин

Мы уже знаем

(c) МОЩНОСТЬ = СИЛА x РАССТОЯНИЕ в минуту

Итак, если мы подставим эквивалент FORCE из уравнения (a) и расстояние в минуту из уравнения (b) в уравнение (c), мы получим:

МОЩНОСТЬ = (МОМЕНТ ÷ РАДИУС) x (ОБ / МИН x РАДИУС x 2 x π)

Разделив обе стороны на 33000, чтобы найти HP,

л.с. = МОМЕНТ ÷ РАДИУС x ОБ / МИН x РАДИУС x 2 x π ÷ 33,000

Путем уменьшения получаем

л.с. = МОМЕНТ x ОБ / МИН x 6.28 ÷ 33,000

с

33000 ÷ 6.2832 = 5252

Следовательно

л.с. = МОМЕНТ x ОБ / МИН ÷ 5252

Обратите внимание, что при 5252 об / мин крутящий момент и л.с. равны. При любой частоте вращения ниже 5252 значение крутящего момента больше, чем значение HP; Выше 5252 об / мин значение крутящего момента меньше значения л.с.

Сколько мощности у двигателей F1?

Силовые агрегаты

F1 очень близки к магическому числу в 1000 л.с., но в настоящее время лучший двигатель в F1 2017 не соответствует этой цели — мы предлагаем обзор мощности двигателей в сегодняшней Формуле 1, основанный на данных GPS.

Хотя точные цифры мощности двигателей в Формуле 1 всегда были засекречены, средства массовой информации часто получают неофициальную информацию от инженеров, а команды внимательно следят друг за другом с помощью данных GPS и, таким образом, могут установить некоторые общие значения.

Сирил Абитебул из Renault сказал перед сезоном Формулы-1 2017, что даже самые лучшие двигатели не будут иметь 1000 л.с., что оказалось правильным, а в конце 2017 года Mercedes также признал, что у них все еще нет волшебных 1000 л.с., несмотря на потрясающий КПД 50% на испытательном стенде, что является улучшением по сравнению с первоначальными 44% в 2014 году, когда началась эра гибридного турбонаддува.

Сегодняшние силовые агрегаты F1 состоят из 1,6-литрового турбодвигателя V6, а система рекуперации энергии состоит из MGU-H, MGU-K и аккумуляторов. Вся система управляется управляющей электроникой.

Поскольку мощность системы ERS ограничена максимумом 163 л.с. в течение 33,3 секунды на одном круге, это означает, что для общей мощности 1000 л.с. сам двигатель должен иметь не менее 837 л.с.

Auto Motor und Sport сообщает, что силовой агрегат Mercedes M08 EQ Power + развивает максимальную мощность 949 л.с., а у Ferrari на 15 л.с. меньше (934 л.с.).

Третий — Renault с отставанием в 42 л.с. от Mercedes (907 л.с.), в то время как Honda с их последней спецификацией силового агрегата RA617H имеет 881 л.с.

Mercedes — самый крепкий, надежный и экономичный

Это впечатляющие цифры из-за небольшого объема двигателя всего 1,6 литра, а также из-за ограничения расхода топлива 100 кг / час и максимального расхода топлива в гонке 105 кг.

Старые двигатели V10 середины 2000-х годов развивали аналогичную мощность, но с тепловым КПД всего 30%.

Помимо максимальной мощности, Mercedes — единственный производитель, которому удалось завершить сезон F1 2017 года, сохранив до четырех единиц каждого из шести элементов силового агрегата (за исключением преднамеренных изменений в автомобиле Hamilton. в Бразилии) со всеми шестью автомобилями, что будет чрезвычайно важно в следующем году, когда будет доступно только три двигателя.

Еще одно преимущество Mercedes — расход топлива. В Мексике пилоты Mercedes начали с примерно на 10 кг топлива меньше, чем их соперники, что является огромным преимуществом (сокращение к концу гонки), что приводит к лучшему старту и снижению расхода топлива и шин.

Следует отметить, что низкому расходу топлива у Mercedes также способствует их шасси, которое использует очень низкий передний угол и имеет очень узкую заднюю часть из-за своей большой длины (самый длинный автомобиль в F1 2017).

Помимо того, что другие производители должны стремиться к мощности, они также должны достичь невероятной надежности и низкого расхода топлива, что заставляет их проявлять смелость при выборе технических решений.

ОБЗОР ДВИГАТЕЛЯ F1 2017

ПРОИЗВОДИТЕЛЬ	ОБЩАЯ МОЩНОСТЬ (V6 + ERS)	ТОЛЬКО V6	ЗАЗОР
Мерседес M08	949 л.с.	786 л.с.
Феррари 062	934 л.с.	771 л.с.	15 л.с.
Renault R.E.17	907 л.с.	744 л.с.	42 л.с.
Honda RA617H	881 л.с.	718 л.с.	68 л.с.

Почему двигатели F1 такие мощные?

Формула 1 любит большие числа, будь то 8 миллиардов долларов, которые Liberty Media заплатила за контроль над спортом в прошлом году, повороты 6G или максимальную скорость 230 миль в час. И вот еще одна дразнящая вещь, которая вот-вот снова войдет в обиход F1: 1000 лошадиных сил.

Ни разу с пьянящих дней восьмидесятых с турбонаддувом двигатели F1 не производили такого уровня мощности — даже высокоразвитые 3-литровые двигатели V10, которые последний раз использовались в 2005 году. Их максимальная мощность составляла около 950 л.с.

Таким образом, для гибридных силовых агрегатов — PU — должны превосходить эти показатели, несмотря на наличие двигателей внутреннего сгорания объемом всего 1,6 литра, ограничение расхода топлива 100 кг / час, ограничение расхода топлива в гонках 105 кг и строгие ограничения на количество замен детали, которые можно использовать без каких-либо штрафов (тем самым вынуждая производителей идти на компромисс с высокими характеристиками ради повышения надежности), поистине замечательны.

Вот как…

В основе дела лежит 1,6-литровый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) V6. Это то, что большинство по-прежнему считает обычным гоночным двигателем: подача топлива; смешивается с воздухом (через турбокомпрессор, вращающийся со скоростью до 125 000 об / мин) и воспламеняется от высокопроизводительной свечи зажигания.

Пока что все в порядке, но эти блоки ДВС сейчас невероятно продвинуты и представляют собой вершину того, что известно о давно зарекомендовавшей себя технологии двигателей. Например, топливно-воздушная смесь внутри цилиндров более однородна, чем когда-либо, то есть смесь топлива и воздуха более «полная», что позволяет горению внутри каждого цилиндра быть более чистым, более эффективным и производить больше энергии. на заданное количество топлива.

Сама процедура зажигания намного сложнее, чем все, что используется за пределами F1: вместо того, чтобы свеча зажигания помещалась внутри камеры сгорания, они размещаются в отдельной камере предварительного зажигания, где искра зажигает три процента топлива-воздуха. смешивание. Это создает «струю пламени», которая воспламеняет оставшиеся 97 процентов смеси, что приводит к более полному «горению», т. Е. Большей мощности и большей эффективности.

Увеличение до 15000 об / мин (намного ниже пикового значения 20000 об / мин для 2.4-литровые двигатели V8, которые предшествовали гибридам), ДВС производят в районе 700 л.с. от общей мощности ПУ, хотя четыре производителя двигателей F1 — Mercedes, Ferrari, Renault и Honda внимательно следят за точными цифрами.

Оставшиеся около 300 л.с. производятся двумя электродвигателями, прикрепленными к ДВС и работающими согласованно с ним.

Первый из них — это так называемый МГУ-К — блок рекуперации кинетической энергии. Проще говоря, это «собирает» энергию, произведенную при торможении, которая в противном случае была бы потеряна.При торможении мотор-генератор действует через маховик, вырабатывая электричество, которое затем хранится в литий-ионной батарее 20 кг, размещенной внутри PU. Когда MGU-K используется «задним ходом» — в качестве двигателя — он может обеспечивать регулируемую максимальную мощность в 120 кВт, что эквивалентно 160 л.с.

Второй мотор-генератор — MGU-H — преобразует тепловую энергию в электричество, которое должно использоваться аналогичным образом — по команде водителя с помощью его правой ноги и дроссельной заслонки.

MGU-H расположен между турбиной и компрессором турбонагнетателя, в верхней части двигателя V6.Когда выхлопные газы раскручивают турбину, они также «раскручивают» MGU-H через вал, соединяющий турбину и компрессор. Это производит электричество, которое также сохраняется в батарее. При ускорении электричество частично используется для устранения турбо-лага за счет вращения компрессора в дополнение к потоку выхлопных газов над его лопастями. Энергия, которую может использовать MGU-H, не ограничена, как для MGU-K.

Работая в унисон, эти три мотора и аккумулятор энергии представляют собой, безусловно, самые сложные и дорогие «двигатели», когда-либо использовавшиеся в Формуле-1.Однако они также намного эффективнее, чем когда-либо использовавшиеся в спорте. Сравнительно мощные 3,0-литровые двигатели V10 начала нулевых имели расход топлива более 190 кг / час, так что они сжигали намного больше «сока», чтобы произвести свое ворчание.

Теперь, благодаря сложной, но искусно интегрированной гибридной технологии и дальнейшему повышению эффективности внутреннего сгорания, можно достичь еще большей отдачи при использовании чуть более половины этого расхода топлива.

Гибридный двигатель F1 мощностью 1000 л.с. — настоящий шедевр современной инженерии.

Изображение: Williams Martini Racing FW41 во время тестов в Барселоне, февраль 2018 г. © Acronis.

Мощность

в зависимости от крутящего момента — x-engineer.org

В этой статье мы собираемся понять, как создается крутящий момент двигателя , как рассчитывается мощность двигателя и что такое крутящий момент и кривая мощности . Кроме того, мы собираемся взглянуть на карты крутящего момента и мощности двигателя (поверхности).

К концу статьи читатель сможет понять разницу между крутящим моментом и мощностью, как они влияют на продольную динамику автомобиля и как интерпретировать кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке.

Определение крутящего момента

Крутящий момент можно рассматривать как крутящее усилие , приложенное к объекту. Крутящий момент (вектор) — это произведение между силой (вектором) и расстоянием (скаляр). Расстояние, также называемое плечом рычага , измеряется между силой и точкой поворота. Подобно силе, крутящий момент является вектором и определяется амплитудой и направлением вращения.

Изображение: Момент затяжки на колесном болте

Представьте, что вы хотите затянуть / ослабить болты колеса.Нажатие или вытягивание рукоятки гаечного ключа, соединенного с гайкой или болтом, создает крутящий момент (усилие поворота), который ослабляет или затягивает гайку или болт.

Крутящий момент Т [Нм] является произведением силы F [Н] и длины плеча a [м] .

\ [\ bbox [# FFFF9D] {T = F \ cdot a} \]

Чтобы увеличить величину крутящего момента, мы можем либо увеличить силу, либо длину плеча рычага, либо и то, и другое.

Пример : Рассчитайте крутящий момент, полученный на болте, если рычаг гаечного ключа имеет значение 0.25 м и приложенная сила 100 Н (что приблизительно эквивалентно толкающей силе 10 кг )

\ [T = 100 \ cdot 0,25 = 25 \ text {Нм} \]

Тот же крутящий момент можно было бы получить, если бы плечо рычага было 1 м и усилие всего 25 Н .

Тот же принцип применяется к двигателям внутреннего сгорания. Крутящий момент на коленчатом валу создается силой, прикладываемой к шейке шатуна через шатун.

Изображение: Крутящий момент на коленчатом валу

Крутящий момент T будет создаваться на коленчатом вале на каждой шейке шатуна каждый раз, когда поршень находится в рабочем ходе.Плечо a в данном случае является радиусом кривошипа (смещением) .

Величина силы F зависит от давления сгорания внутри цилиндра. Чем выше давление в цилиндре, тем выше сила на коленчатом валу, тем выше выходной крутящий момент. 2} {4} = \ frac {\ pi \ cdot 0.2 \]

Во-вторых, мы рассчитаем силу, приложенную к поршню. Чтобы получить силу в Н, (Ньютон), мы будем использовать давление, преобразованное в Па (Паскаль).

\ [F = p \ cdot A_p = 120000 \ cdot 0,0056745 = 680.94021 \ text {N} \]

Предполагая, что вся сила в поршне передается на шатун, крутящий момент рассчитывается как:

\ [T = F \ cdot a = 680.94021 \ cdot 0.062 = 42.218293 \ text {Нм} \]

Стандартная единица измерения крутящего момента — Н · м (Ньютон-метр).В частности, в США единицей измерения крутящего момента двигателя является фунт-сила · фут (фут-фунт). Преобразование между Н · м и фунт-сила · фут :

\ [\ begin {split}
1 \ text {lbf} \ cdot \ text {ft} & = 1.355818 \ text {N} \ cdot \ text {m} \\
1 \ text {N} \ cdot \ text {m} & = 0.7375621 \ text {lbf} \ cdot \ text {ft}
\ end {split} \]

Для нашего конкретного примера крутящий момент в британских единицах (США):

\ [T = 42.218293 \ cdot 0.7375621 = 31.138615 \ text {lbf} \ cdot \ text {ft} \]

Крутящий момент T [N] также может быть выражен как функция среднее эффективное давление двигателя.

\ [T = \ frac {p_ {me} V_d} {2 \ pi n_r} \]

где:
p _me [Па] — среднее эффективное давление
V _d [m ³ ] — рабочий объем двигателя
n _r [-] — количество оборотов коленчатого вала за полный цикл двигателя (для четырехтактного двигателя n _r = 2 )

Определение мощности

В физике мощность — это работа, выполненная во времени, или, другими словами, — скорость выполнения работы .В системах вращения мощность P [Вт] является произведением крутящего момента T [Нм] и угловой скорости ω [рад / с] .

\ [\ bbox [# FFFF9D] {P = T \ cdot \ omega} \]

Стандартная единица измерения мощности — Вт, (ватт) и скорости вращения — рад / с, (радиан в секунду) . Большинство производителей транспортных средств предоставляют мощность двигателя в л.с., (мощность торможения) и скорость вращения в об / мин (оборотов в минуту).Поэтому мы будем использовать формулы преобразования как для скорости вращения, так и для мощности.

Чтобы преобразовать об / мин в рад / с , мы используем:

\ [\ omega \ text {[rad / s]} = N \ text {[rpm]} \ cdot \ frac {\ pi} { 30} \]

Чтобы преобразовать рад / с в об / мин , мы используем:

\ [N \ text {[rpm]} = \ omega \ text {[rad / s]} \ cdot \ frac {30 } {\ pi} \]

Мощность двигателя также может быть измерена в кВт вместо Вт для более компактного значения.Чтобы преобразовать кВт в л.с. и обратно, мы используем:

\ [\ begin {split}
P \ text {[bhp]} & = 1.36 \ cdot P \ text {[кВт]} \\
P \ text {[кВт]} & = \ frac {P \ text {[bhp]}} {1.36}
\ end {split} \]

В некоторых случаях вы можете найти л.с., (мощность в лошадиных силах) вместо л.с. как единица измерения мощности.

Имея скорость вращения, измеренную в об / мин и крутящий момент в Нм , формула для расчета мощности следующая:

\ [\ begin {split}
P \ text {[кВт]} & = \ frac {\ pi \ cdot N \ text {[rpm]} \ cdot T \ text {[Nm]}} {30 \ cdot 1000} \\
P \ text {[HP]} & = \ frac {1.36 \ cdot \ pi \ cdot N \ text {[rpm]} \ cdot T \ text {[Nm]}} {30 \ cdot 1000}
\ end {split} \]

Пример . Рассчитайте мощность двигателя как в кВт, , так и в л.с. , если крутящий момент двигателя составляет 150 Нм, и частота вращения двигателя составляет 2800 об / мин .

\ [\ begin {split}
P & = \ frac {\ pi \ cdot 2800 \ cdot 150} {30 \ cdot 1000} = 44 \ text {kW} \\
P & = \ frac {1.36 \ cdot \ pi \ cdot 2800 \ cdot 150} {30 \ cdot 1000} = 59,8 \ text {HP}
\ end {split} \]

Динамометр двигателя

Скорость двигателя измеряется с помощью датчика на коленчатом валу (маховике).В идеале, чтобы рассчитать мощность, мы должны также измерить крутящий момент на коленчатом валу с помощью датчика. Технически это возможно, но не применяется в автомобильной промышленности. Из-за условий эксплуатации коленчатого вала (температуры, вибрации) измерение крутящего момента двигателя с помощью датчика не является надежным методом. Также довольно высока стоимость датчика крутящего момента. Следовательно, крутящий момент двигателя измеряется во всем диапазоне скорости и нагрузки с помощью динамометра (испытательный стенд) и отображается (сохраняется) в блоке управления двигателем.

Изображение: Схема динамометра двигателя

Динамометр — это в основном тормоз (механический, гидравлический или электрический), который поглощает мощность, производимую двигателем. Самый используемый и лучший тип динамометра — это электрический динамометр . На самом деле это электрическая машина , которая может работать как генератор или двигатель . Изменяя крутящий момент нагрузки генератора, двигатель может быть переведен в любую рабочую точку (скорость и крутящий момент).Кроме того, при отключенном двигателе (без впрыска топлива) генератор может работать как электродвигатель для раскрутки двигателя. Таким образом можно измерить трение двигателя и потери крутящего момента насоса.

В электрическом динамометре ротор соединен с коленчатым валом. Связь между ротором и статором электромагнитная. Статор закреплен через плечо рычага на датчике веса . Чтобы уравновесить ротор, статор будет прижиматься к датчику нагрузки. Крутящий момент T рассчитывается путем умножения силы F , измеренной в датчике нагрузки, на длину плеча a рычага.

\ [T = F \ cdot a \]

Параметры двигателя: тормозной момент, тормозная мощность (л.с.) или удельный расход топлива при торможении (BSFC) содержат ключевое слово «тормоз», потому что для их измерения используется динамометр (тормоз). .

Результатом динамометрического испытания двигателя являются карты крутящего момента (поверхности), которые дают значение крутящего момента двигателя при определенных оборотах двигателя и нагрузке (стационарные рабочие точки). Нагрузка двигателя эквивалентна положению педали акселератора.

Пример карты крутящего момента для бензинового двигателя с искровым зажиганием (SI) :

10 [об / мин10]
[об / мин10] 110 4310 905 900 905 905 905 905 905 13 905 905 905 905 905 905

Двигатель крутящий момент [Нм]		Положение педали акселератора [%]
		5 13	20	30	40	50	60	100
Двигатель скорость 13	45	90	107	109	110	111	114	116
	1300	60	105	13210133 905 905 138	141
	1800	35	89	133	141	1 42	144	145	149
	2300	19	70	133	147	148	150	1510 905 905 3	55	133	153	159	161	163	165
	3300	0	41	126 152 905	41	126 152 905 905	171
	3800	0	33	116	150	160	167	170	175
	155	169	176	180	184
	4800 9051 3	0	18	106	155	174	179	185	190
	5300	0	12	181	187
	5800	0	4	84	136	161	170	175	183	175	183
	900	72	120	145	153	159	171

Пример схемы мощности для бензинового двигателя с искровым зажиганием (SI) :

95 Мощность Двигатель Л.с.] 905 905 900 900

Положение педали акселератора [%]
5	10	20 9 0513	30	40	50	60	100
Двигатель скорость [об / мин]	800	510 5	12	13	13	13	13
	1300	11	19	24	25	25	905 1800	9	23	34	36	36	37	37	38
	2300	6	44	49	49	51
	2800	1	22	53	61	63	64	65	66
	3300	0	19	59	71	76	78	78	0	18	63	81	87	90	92	95
	4300	0	16	6710 905 905 905 110	113
	4800	0	12	72	106	119	122	126	130
			130
	9005 72	111	126	132	137	141
	5800	0 90 513	3	69	112	133	140	145	151
	6300	0	0	65 137513	108	153

Электронный блок управления (ЕСМ) ДВС имеет карту крутящего момента, хранящуюся в памяти.Он вычисляет (интерполирует) функцию крутящего момента двигателя от текущих оборотов двигателя и нагрузки. В блоке управления двигателем нагрузка выражается как давление во впускном коллекторе для бензиновых двигателей (искровое зажигание, SI) и время впрыска или масса топлива для дизельных двигателей (воспламенение от сжатия, CI). Стратегия расчета крутящего момента двигателя имеет поправки на основе температуры и давления всасываемого воздуха.

Нанесение данных о крутящем моменте и мощности, функции частоты вращения и нагрузки двигателя дает следующие поверхности:

Изображение: Поверхность крутящего момента двигателя SI

Изображение: Поверхность мощности двигателя SI

Для Для лучшей интерпретации карт крутящего момента и мощности можно построить двухмерную линию крутящего момента для фиксированного значения положения педали акселератора.

Изображение: кривые крутящего момента двигателя SI

Изображение: кривые мощности двигателя SI

Крутящий момент и мощность двигателя при полной нагрузке

Как вы видели, крутящий момент и мощность внутреннего сгорания двигатель зависит как от частоты вращения двигателя, так и от нагрузки. Обычно производители двигателей публикуют характеристики крутящего момента и кривых (кривые) при полной нагрузке и (100% положение педали акселератора). Кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке подчеркивают максимальный крутящий момент и распределение мощности во всем диапазоне оборотов двигателя.

Изображение: параметры крутящего момента и мощности двигателя при полной нагрузке

Форма приведенных выше кривых крутящего момента и мощности не соответствует реальному двигателю, их цель — объяснить основные параметры. Тем не менее, формы аналогичны реальным характеристикам искрового зажигания (бензин), левого впрыска, атмосферного двигателя.

Частота вращения двигателя N _e [об / мин] характеризуется четырьмя основными моментами:

N _min — минимальная стабильная частота вращения двигателя при полной нагрузке
N _Tmax — частота вращения двигателя при максимальном крутящем моменте двигателя
N _Pmax — частота вращения двигателя при максимальной мощности двигателя; также называется номинальная частота вращения двигателя
N _max — максимальная стабильная частота вращения двигателя

При минимальной частоте вращения двигатель должен работать плавно, без колебаний и остановок.Двигатель также должен позволять работать на максимальной скорости без каких-либо повреждений конструкции.

Крутящий момент двигателя при полной нагрузке кривая T _e [Нм] характеризуется четырьмя точками:

T ₀ — крутящий момент двигателя при минимальных оборотах двигателя
T _max — максимальный двигатель крутящий момент (максимальный крутящий момент или номинальный крутящий момент )
T _P — крутящий момент двигателя при максимальной мощности двигателя
T _M — крутящий момент двигателя при максимальной частоте вращения двигателя

В зависимости от типа всасываемого воздуха (атмосферный или с турбонаддувом) максимальный крутящий момент может быть точечным или линейным.Для двигателей с турбонаддувом или наддувом максимальный крутящий момент может поддерживаться постоянным между двумя значениями частоты вращения двигателя.

Мощность двигателя при полной нагрузке Кривая P _e [л.с.] характеризуется четырьмя точками:

P ₀ — мощность двигателя при минимальных оборотах
P _max — максимальная мощность двигателя мощность (пиковая мощность или номинальная мощность )
P _T — мощность двигателя при максимальном крутящем моменте двигателя
P _M — мощность двигателя при максимальной частоте вращения

Область между минимальными оборотами двигателя N _мин и максимальная частота вращения двигателя N _Tmax называется зоной нижнего конца крутящего момента.Чем выше крутящий момент в этой области, тем лучше возможности запуска / ускорения транспортного средства. Когда двигатель работает в этой области при полной нагрузке, если сопротивление дороги увеличивается, частота вращения двигателя будет уменьшаться, что приведет к падению крутящего момента двигателя и остановке двигателя . По этой причине эта область также называется областью нестабильного крутящего момента .

Область между максимальной частотой вращения двигателя N _Tmax и максимальной частотой вращения двигателя N _Pmax называется диапазоном мощности .Во время разгона автомобиля для достижения наилучших характеристик переключение передач (вверх) следует выполнять на максимальной мощности двигателя. В зависимости от передаточных чисел коробки передач после переключения на выбранной передаче частота вращения двигателя снижается до максимального крутящего момента, что обеспечивает оптимальное ускорение. Переключение передач на максимальной мощности двигателя позволит удерживать частоту вращения двигателя в пределах диапазона мощности.

Область между максимальной частотой вращения двигателя N _Pmax и максимальной частотой вращения двигателя N _max называется зоной крутящего момента верхнего конца .Более высокий крутящий момент приводит к более высокой выходной мощности, что означает более высокую максимальную скорость автомобиля и лучшее ускорение на высокой скорости.

Когда частота вращения двигателя поддерживается между максимальной частотой вращения двигателя N _Tmax и максимальной частотой вращения двигателя N _max , если сопротивление транспортного средства увеличивается, частота вращения двигателя упадет, а выходной крутящий момент увеличится, таким образом компенсация увеличения дорожной нагрузки. По этой причине эта область называется областью стабильного крутящего момента .

Ниже вы можете найти несколько примеров кривых крутящего момента и мощности при полной нагрузке для различных типов двигателей. Обратите внимание на форму кривых в зависимости от типа двигателя (с искровым зажиганием или с компрессионным зажиганием) и типа воздухозаборника (атмосферный или с турбонаддувом).

Крутящий момент и мощность двигателя Honda 2.0 при полной нагрузке

50 909 атмосферный макс. Л.с.] 9050 9

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Honda 2.0 SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин (SI)
Объем двигателя [см 3 ]	1998
Впрыск топлива	порт клапана
Воздухозаборник	Выбор фаз газораспределения		регулируемый
T макс. [Нм]	190
N Tmax [об / мин]	4500
155
N Pmax [об / мин]	6000
N макс. [об / мин]	6800

Saab 2.Крутящий момент и мощность двигателя 0T при полной нагрузке

905 905 905

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Saab 2.0T SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин (SI)
Объем двигателя [см 3 ]	1998
Впрыск топлива	порт клапана
Воздухозаборник	турбокомпрессор Время работы клапана		фиксированное
T макс. [Нм]	265
N Tmax [об / мин]	2500
175
N Pmax [об / мин]	5500
N 9075 3 макс. [об / мин]	6300

Audi 2.0 Крутящий момент и мощность двигателя TFSI при полной нагрузке

9 0510 N _макс. [об / мин]

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Audi 2.0 TFSI SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин (SI)
Объем двигателя [см 3 ]	1994
Впрыск топлива	прямой
Воздухозаборник	с наддувом			турбина Время работы клапана	фиксированное
T макс. [Нм]	280
N Tmax [об / мин]	1800 — 5000 макс. Л.с.]		200
N Pmax [об / мин]	5100 — 6000
6500

Toyota 2.0 Крутящий момент и мощность двигателя D-4D при полной нагрузке

макс. [Л.с.]

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Toyota 2.0 CI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	дизель (CI)
Объем двигателя [см 3 ]	1998
Впрыск топлива	прямой
Воздухозаборник	с турбонаддувом Синхронизация клапана		фиксированная
T макс. [Нм]	300
N Tmax [об / мин]	2000–2800
126
N Pmax [об / мин]	3600
N макс. [об / мин]	5200

Mercedes-Benz 1.8 Крутящий момент и мощность двигателя Kompressor при полной нагрузке

9075 9075 905 ] 90 527

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Mercedes Benz 1.8 Kompressor SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин
Объем двигателя [см 3 ]	1796
Впрыск топлива	порт клапана
Воздухозаборник	с наддувом		Клапан с наддувом синхронизация	фиксированная
T макс. [Нм]	230
N Tmax [об / мин]	2800 — 4600		27
156
N Pmax [об / мин]	5200
N макс. [об / мин]	6250

BMW 3.0 Крутящий момент и мощность двигателя TwinTurbo при полной нагрузке

с двухкамерным наддувом Синхронизация клапана макс. [Л.с.]

Архитектура цилиндров	6-рядный	Изображение: Двигатель BMW 3.0 TwinTurbo SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин
Объем двигателя [см 3 ]	2979
Впрыск топлива	прямой
Воздухозаборник	переменная
T макс. [Нм]	400
N Tmax [об / мин]	1300-5000
306
N Pmax [об / мин]	5800
N макс. [об / мин]	7000

Mazda 2.6 крутящий момент и мощность роторного двигателя при полной нагрузке

12

Архитектура цилиндров	2 Ванкель	Изображение: Двигатель Mazda 2.6 SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин
Объем двигателя [см 3 ]	1308 (2616)
Впрыск топлива	порт клапана
Впуск воздуха	атмосферный		27 клапан	фиксированный
T макс. [Нм]	211
N Tmax [об / мин]	5500
макс.	231
N Pmax [об / мин]	8200
N макс. [об / мин]	9500

Porsche 3.6 крутящий момент и мощность двигателя при полной нагрузке

Архитектура цилиндров	6 плоских	Изображение: Двигатель Porsche 3.6 SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин
Объем двигателя [см 3 ]	3600
Впрыск топлива	патрубок клапана
Воздухозаборник	атмосферная синхронизация		27 регулируемый клапан
T макс. [Нм]	405
N Tmax [об / мин]	5500
P ] 9027
N Pmax [об / мин]	7600
N max [об / мин]	8400

Ключевые утверждения, которые следует учитывать в отношении мощности и крутящего момента двигателя:

крутящий момент

• крутящий момент является составляющей мощности
• крутящий момент может быть увеличен путем увеличения среднего эффективного давление двигателя или за счет снижения потерь крутящего момента (трение, накачивание)
• с более низким максимальным крутящим моментом, распределенным в диапазоне скоростей двигателя, с точки зрения тяги лучше, чем с более высокой точкой максимального крутящего момента
• нижний конечный крутящий момент очень важно для пусковых возможностей автомобилей
• высокий крутящий момент полезен в условиях бездорожья, когда автомобиль эксплуатируется на больших уклонах дороги, но на низкой скорости

Мощность

• Мощность двигателя зависит как от крутящего момента, так и от скорости
• мощность может быть увеличена за счет увеличения крутящего момента или частоты вращения двигателя
• высокая мощность важна для высоких скоростей автомобиля eds, чем выше максимальная мощность, тем выше максимальная скорость автомобиля.
• Распределение мощности двигателя при полной нагрузке в диапазоне оборотов двигателя влияет на способность автомобиля к ускорению на высоких скоростях. работать в диапазоне мощности, между максимальным крутящим моментом двигателя и мощностью

По любым вопросам или наблюдениям относительно этого руководства, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Мощность поршневого двигателя самолета | Aircraft Systems

Все авиационные двигатели классифицируются в соответствии с их способностью выполнять работу и вырабатывать мощность. На этой странице представлено объяснение работы и мощности и того, как они рассчитываются. Также обсуждаются различные коэффициенты полезного действия, которые определяют выходную мощность поршневого двигателя.

Физик определяет работу как силу, умноженную на расстояние. Работа, совершаемая силой, действующей на тело, равна величине силы, умноженной на расстояние, на котором действует сила.

Работа измеряется несколькими стандартами. Наиболее распространенная единица измерения — фут-фунт (фут-фунт). Если груз весом в один фунт поднимается на один фут, один фут-фунт работы был выполнен. Чем больше масса и / или чем больше расстояние, тем больше выполняется работа.

Обычной единицей измерения механической мощности является мощность в лошадиных силах (л.с.). В конце XVIII века изобретатель паровой машины Джеймс Ватт обнаружил, что английская рабочая лошадка может работать со скоростью 550 фут-фунтов в секунду или 33000 фут-фунтов в минуту в течение разумного периода времени.Из его наблюдений пришла единица лошадиных сил, которая является стандартной единицей механической мощности в английской системе измерения. Чтобы рассчитать номинальную мощность двигателя, разделите мощность, развиваемую в фут-фунтах в минуту, на 33 000 или мощность в фут-фунтах в секунду на 550.

33 000 или фут-фунт-сила в секунду 550

Как указано выше, работайте — произведение силы и расстояния, а мощность — работа за единицу времени. Следовательно, если груз весом 33 000 фунтов поднимается на вертикальное расстояние 1 фут за 1 минуту, затрачиваемая мощность составляет 33 000 фут-фунтов в минуту, или ровно 1 л.с.

Работа выполняется не только при приложении силы для подъема; сила может быть приложена в любом направлении. Если 100-фунтовый груз тянут по земле, сила все еще применяется для выполнения работы, хотя направление результирующего движения примерно горизонтальное. Величина этой силы будет зависеть от неровности земли.

Если бы груз был прикреплен к пружинным весам с градуировкой в ​​фунтах, а затем потянул за ручку весов, можно было бы измерить необходимое усилие.Предположим, что требуемая сила составляет 90 фунтов, а груз весом 100 фунтов переносится на 660 футов за 2 минуты. Объем работы, выполненной за 2 минуты, составляет 59 400 фут-фунтов или 29 700 фут-фунтов в минуту. Поскольку 1 л.с. составляет 33 000 фунт-футов в минуту, затрачиваемое количество л.с. в этом случае равно 29 700 разделенным на 33 000, или 0,9 л.с.

Рабочий объем поршня

Когда другие факторы остаются равными, чем больше рабочий объем поршня, тем большую максимальную мощность в лошадиных силах способен развить двигатель. Когда поршень перемещается из НМТ в ВМТ, он перемещает определенный объем.Объем, перемещаемый поршнем, известен как рабочий объем поршня и выражается в кубических дюймах для большинства двигателей американского производства и кубических сантиметрах для других.

Смещение поршня одного цилиндра может быть получено умножением площади поперечного сечения цилиндра на общее расстояние, на которое поршень перемещается в цилиндре за один ход. Для многоцилиндровых двигателей это произведение умножается на количество цилиндров, чтобы получить общий рабочий объем поршня двигателя.

Поскольку объем (V) геометрического цилиндра равен площади (A) основания, умноженной на высоту (h), математически он выражается как:

V = A × h

Площадь основания равна площадь поперечного сечения цилиндра.

Площадь круга

Чтобы найти площадь круга, необходимо использовать число пи (π). Это число представляет собой отношение длины окружности к диаметру любого круга. Пи нельзя указать точно, потому что это бесконечное десятичное число. Это 3,1416, выраженное с точностью до четырех десятичных знаков, что достаточно для большинства вычислений.

Площадь круга, например прямоугольника или треугольника, должна быть выражена в квадратных единицах. Расстояние, равное половине диаметра круга, называется радиусом.Площадь любого круга находится путем возведения в квадрат радиуса (r) и умножения на π. Формула:

A = πr ²

Радиус окружности равен ½ диаметра

2

Пример

Вычислите смещение поршня 14-цилиндрового двигателя PWA с цилиндром 5,5. диаметр дюйма и ход 5,5 дюйма. Требуются следующие формулы:

r = d

Всего V = V x n (количество цилиндров)

Подставьте значения в эти формулы и завершите расчет.

r = d = 5,5 дюйма (дюймов) ÷ 2 = 2,75 дюйма

A = πr ² = 3,1416 (2,75 дюйма x 2,75 дюйма) A = 3,1416 x 7,5625 квадратных дюймов (дюйм ² ) = 23,7584 дюйма ² V = A xh = 23,7584 дюйма ² x 5,5 дюйма = 130,6712 кубических дюймов (дюймов ³ ) Всего V = V xn = 130,6712 дюймов ³ x 14 Всего V = 1829,3968 дюймов ³

Округлено до следующее целое число, полный рабочий объем поршня равен 1829 кубических дюймов.

Другой метод расчета смещения поршня использует диаметр поршня вместо радиуса в формуле для площади основания.

A = ¼ x (π) (d ² )

Подстановка A = ¼ x 3,1416 x 5,5 дюйма x 5,5 дюйма A = 0,7854 x 30,25 дюйма ² A = 23,758 дюйма ²

С этого момента, вычисления идентичны предыдущему примеру.

Степень сжатия

Все двигатели внутреннего сгорания должны сжимать топливно-воздушную смесь, чтобы получить разумный объем работы от каждого рабочего такта. Заряд топлива / воздуха в цилиндре можно сравнить со спиральной пружиной в том смысле, что чем сильнее он сжимается, тем больше работы он потенциально способен выполнять.

Степень сжатия двигателя — это сравнение объема пространства в цилиндре, когда поршень находится в нижней части хода, с объемом пространства, когда поршень находится в верхней части хода. [Рис. 1] Это сравнение выражается в виде отношения, отсюда и термин «степень сжатия». Степень сжатия является определяющим фактором максимальной мощности, развиваемой двигателем, но она ограничена современными сортами топлива и высокими оборотами двигателя и давлениями в коллекторе, необходимыми для взлета.Например, если в цилиндре имеется 140 кубических дюймов пространства, когда поршень находится внизу, и 20 кубических дюймов пространства, когда поршень находится в верхней части хода, степень сжатия будет 140 к 20. Если это соотношение выражается в виде дробей, это будет 140/20 или 7: 1, обычно представленное как 7: 1.

Рис. 1. Степень сжатия

Ограничения, накладываемые на степени сжатия, давление в коллекторе и влияние давления в коллекторе на давления сжатия, имеют большое влияние на работу двигателя.Давление в коллекторе — это среднее абсолютное давление воздуха или заряда топлива / воздуха во впускном коллекторе, которое измеряется в дюймах ртутного столба («Hg»). Давление в коллекторе зависит от частоты вращения двигателя (настройки дроссельной заслонки) и степени наддува. работа нагнетателя увеличивает вес заряда, поступающего в цилиндр. Когда настоящий нагнетатель используется с авиационным двигателем, давление в коллекторе может быть значительно выше, чем давление внешней атмосферы. Преимущество этого условия состоит в том, что большее количество заряда подается в заданный объем цилиндра, и в результате получается большая мощность в лошадиных силах.

Степень сжатия и давление в коллекторе определяют давление в цилиндре в той части рабочего цикла, когда оба клапана закрыты. Давление заряда перед сжатием определяется давлением в коллекторе, в то время как давление на высоте сжатия (непосредственно перед воспламенением) определяется давлением в коллекторе, умноженным на степень сжатия. Например, если двигатель работал при давлении в коллекторе 30 дюймов рт. Ст. Со степенью сжатия 7: 1, давление в момент перед зажиганием было бы приблизительно 210 дюймов рт. Ст.Однако при давлении в коллекторе 60 дюймов рт. Ст. Давление будет 420 дюймов рт. Ст.

Не вдаваясь в подробности, было показано, что событие сжатия усиливает эффект изменения давления в коллекторе, и величина того и другого влияет на давление топливного заряда непосредственно перед моментом воспламенения. Если давление в это время становится слишком высоким, происходит предварительное зажигание или детонация, что приводит к перегреву. Предварительное зажигание — это когда заряд топливного воздуха начинает гореть до того, как загорится свеча зажигания.Детонация происходит, когда топливный воздушный заряд воспламеняется свечой зажигания, но вместо того, чтобы гореть с контролируемой скоростью, он взрывается, вызывая очень быстрый скачок температуры и давления в цилиндрах. Если это состояние существует очень долго, двигатель может быть поврежден или разрушен.

Одной из причин использования двигателей с высокой степенью сжатия является получение большой экономии топлива, чтобы преобразовать больше тепловой энергии в полезную работу, чем это делается в двигателях с низкой степенью сжатия. Поскольку больше тепла заряда преобразуется в полезную работу, стенки цилиндра поглощают меньше тепла.Этот фактор способствует более холодной работе двигателя, что, в свою очередь, увеличивает тепловой КПД. Здесь снова необходим компромисс между потребностью в экономии топлива и потребностью в максимальной мощности без детонации. Некоторые производители двигателей с высокой степенью сжатия подавляют детонацию при высоком давлении в коллекторе за счет использования высокооктанового топлива и ограничения максимального давления в коллекторе.

Указанная мощность в лошадиных силах

Указанная мощность в лошадиных силах, производимая двигателем, представляет собой мощность, рассчитанную на основе указанного среднего эффективного давления и других факторов, которые влияют на выходную мощность двигателя.Указанная мощность — это мощность, развиваемая в камерах сгорания, без учета потерь на трение в двигателе. Эта мощность рассчитывается как функция фактического давления в цилиндре, зарегистрированного во время работы двигателя.

Для облегчения расчетов указанной мощности механическое показывающее устройство, например, прикрепленное к цилиндру двигателя, регистрирует фактическое давление, существующее в цилиндре во время полного рабочего цикла. Это изменение давления можно представить в виде графика, показанного на рисунке 2.Обратите внимание, что давление в цилиндре повышается на такте сжатия, достигает пика после верхнего центра и уменьшается по мере того, как поршень движется вниз на рабочем такте. Поскольку давление в цилиндре меняется в течение рабочего цикла, вычисляется среднее давление (линия AB). Это среднее давление, если оно применяется постоянно во время рабочего такта, будет выполнять ту же работу, что и изменяющееся давление в течение того же периода. Это среднее давление известно как указанное среднее эффективное давление и включается в расчет указанной мощности вместе с другими техническими характеристиками двигателя.Если характеристики и указанное среднее эффективное давление двигателя известны, можно рассчитать указанную номинальную мощность в лошадиных силах.

Рис. 2. Степень сжатия

Указанную мощность в лошадиных силах для четырехтактного двигателя можно рассчитать по следующей формуле, в которой буквенные символы в числителе расположены так, чтобы напишите слово «ДОСКА», чтобы запомнить формулу:

Указанная мощность = ДОСКА

33000

Где:

P = указанное среднее эффективное давление в фунтах на квадратный дюйм

L = длина хода в футах или в долях фута

A = Площадь головки поршня или площадь поперечного сечения цилиндра, в квадратных дюймах

N = Количество рабочих ходов в минуту: об / мин

2

K = Количество цилиндры

В приведенной выше формуле площадь поршня, умноженная на индикатор ed среднее эффективное давление дает силу, действующую на поршень в фунтах.Эта сила, умноженная на длину хода в футах, дает работу, выполненную за один рабочий ход, которая, умноженная на количество рабочих ходов в минуту, дает количество фут-фунтов работы, производимой одним цилиндром в минуту. Умножение этого результата на количество цилиндров в двигателе дает количество работы, выполненной двигателем в фут-фунтах. Поскольку л.с. определяется как работа, выполняемая со скоростью 33 000 фут-фунтов в минуту, общее количество фут-фунтов работы, выполняемой двигателем, делится на 33 000, чтобы найти указанную мощность.

Пример

Дано:

Указанное среднее эффективное давление (P) = 1,65 фунта / дюйм ²

Ход (L) = 6 дюймов или 0,5 футов

Диаметр цилиндра = 0,5 дюйма

об / мин = 3,000

Число цилиндров (K) = 12

Указанная л.с. = ДОСКА

33000 фут-фунт / мин

Найдите указанную л.с.

A находится с помощью уравнения

A = ¼ πD ²

A = ¼ x 3.1416 x 5,5 дюйма x 5,5 дюйма

= 23,76 дюйма ²

N определяется умножением числа оборотов в минуту на ½:

N = ½ x 3000 = 1500 об / мин

Теперь подставив в формулу:

Указанные л.с. = 1,65 фунта / дюйм ² x 0,5 дюйма x 23,76 дюйма ² x 1500 об / мин x 12

33000 фут-фунт / мин

Указанная л.с. = 1069,20

Тормозная мощность

Расчет указанной мощности обсуждается в В предыдущем абзаце описана теоретическая мощность двигателя без трения.Общая мощность, потерянная при преодолении трения, должна быть вычтена из указанной мощности, чтобы получить фактическую мощность, передаваемую на винт. Мощность, передаваемая на винт для полезной работы, известна как тормозная мощность (л.с.). Разница между указанной и тормозной мощностью известна как мощность трения, которая представляет собой мощность, необходимую для преодоления механических потерь, таких как перекачивающее действие поршней, трение поршней и трение всех других движущихся частей.

Измерение мощности двигателя включает измерение величины, известной как крутящий момент или крутящий момент. Крутящий момент — это произведение силы и расстояния силы от оси, вокруг которой она действует, или

Крутящий момент = сила × расстояние

(под прямым углом к ​​силе)

Крутящий момент является мерой нагрузки и правильно выражается в фунт-дюймах (фунт-дюйм) или фунт-фут (фунт-фут). Крутящий момент не следует путать с работой, которая выражается в дюймах-фунтах (дюймах-фунтах) или фут-фунтах (фут-фунтах).

Рис. 3. Типовой тормоз с зубчатой ​​передачей

Существует множество устройств для измерения крутящего момента, например динамометр или измеритель крутящего момента. Одним из очень простых типов устройств, которые можно использовать для демонстрации расчетов крутящего момента, является тормоз Prony. [Рис. 3] Все эти устройства для измерения крутящего момента можно использовать для расчета выходной мощности двигателя на испытательном стенде. По сути, он состоит из шарнирного кольца или тормоза, который может быть закреплен на барабане, прикрепленном к валу гребного винта.Хомут и барабан образуют фрикционный тормоз, который регулируется колесом. Плечо известной длины жестко прикреплено к шарнирному воротнику или является его частью и заканчивается в точке, которая опирается на набор весов. Когда карданный вал вращается, он стремится нести за собой шарнирную втулку тормоза, и этому мешает только рычаг, который опирается на весы. Шкала показывает силу, необходимую для остановки движения руки. Если результирующее усилие, зарегистрированное на шкале, умножить на длину рычага, полученное произведение будет крутящим моментом, прилагаемым вращающимся валом.Например, если весы регистрируют 200 фунтов, а длина рычага составляет 3,18 фута, крутящий момент, создаваемый валом, составляет:

200 фунтов × 3,18 фута = 636 фунт-футов

Как только крутящий момент известен, работа выполнена. на оборот карданного вала можно без труда вычислить по уравнению:

Работа на оборот = 2π × крутящий момент

Если работа на оборот умножается на число оборотов в минуту, результатом будет работа в минуту или мощность. Если работа выражается в фунтах на фут в минуту, это количество делится на 33 000.Результат — тормозная мощность вала.

Мощность = Работа на оборот x об / мин

и

л.с. = Работа на оборот x об / мин

33000

2πr x сила на весах (фунты) x длина рычага (фут) x об / мин

33000

Пример

Дано:

Усилия на весах = 200 фунтов

Длина рычага = 3,18 фута

об / мин = 3000

π = 3.1416

Найдите л. С., Подставив в уравнение:

л. Достаточно, чтобы создать значительную нагрузку на двигатель, но недостаточно, чтобы остановить двигатель, нет необходимости знать величину трения между воротником и барабаном для расчета л.с.Если бы не было приложенной нагрузки, не было бы крутящего момента, который нужно было бы измерять, и двигатель бы «убежал». Если приложенная нагрузка настолько велика, что двигатель глохнет, может потребоваться измерить значительный крутящий момент, но оборотов нет. В любом случае невозможно измерить мощность двигателя. Однако, если между тормозным барабаном и манжетой существует достаточное трение и нагрузка затем увеличивается, тенденция карданного вала переносить втулку и рычаг вместе с ним становится больше, таким образом оказывая большее усилие на весы.Пока увеличение крутящего момента пропорционально снижению оборотов, мощность, передаваемая на валу, остается неизменной. Это можно увидеть из уравнения, в котором 2πr и 33000 — константы, а крутящий момент и частота вращения — переменные. Если изменение оборотов обратно пропорционально изменению крутящего момента, их произведение остается неизменным, а л.с. остается неизменным. Это важно. Он показывает, что мощность в лошадиных силах зависит как от крутящего момента, так и от числа оборотов в минуту и ​​может быть изменена путем изменения крутящего момента, числа оборотов в минуту или того и другого.

Лошадиная сила трения

Лошадиная сила трения — это указанная мощность за вычетом тормозной мощности. Это мощность, используемая двигателем для преодоления трения движущихся частей, всасывания топлива, удаления выхлопных газов, привода масляных и топливных насосов и других вспомогательных устройств двигателя. В современных авиационных двигателях эта потеря мощности из-за трения может достигать 10–15 процентов указанной мощности.

Среднее эффективное давление трения и торможения

Указанное среднее эффективное давление (IMEP), обсуждавшееся ранее, представляет собой среднее давление, создаваемое в камере сгорания во время рабочего цикла, и является выражением теоретической мощности без трения, известной как указанная мощность в лошадиных силах.Помимо полного игнорирования потери мощности на трение, указанная мощность не указывает на то, сколько фактической мощности передается на карданный вал для выполнения полезной работы. Однако это связано с фактическим давлением, которое возникает в цилиндре, и может использоваться как мера этого давления.

Чтобы вычислить потери на трение и полезную выходную мощность, указанную мощность цилиндра можно рассматривать как две отдельные мощности, каждая из которых дает различный эффект. Первая мощность преодолевает внутреннее трение, и потребляемая таким образом мощность известна как мощность трения.Вторая мощность, известная как тормозная мощность, обеспечивает полезную работу гребного винта. Та часть IMEP, которая производит тормозную мощность, называется средним эффективным давлением в тормозной системе (BMEP). Оставшееся давление, используемое для преодоления внутреннего трения, называется средним эффективным давлением трения (FMEP). [Рис. 4] IMEP — полезное выражение общей выходной мощности цилиндра, но не реальная физическая величина; аналогично, FMEP и BMEP являются теоретическими, но полезными выражениями потерь на трение и полезной выходной мощности.

Рис. 4. Мощность и давление

Хотя BMEP и FMEP в действительности не существуют в цилиндре, они обеспечивают удобные средства представления пределов давления или номинальных характеристик двигателя во всем его объеме. рабочий диапазон. Между IMEP, BMEP и FMEP существует рабочая взаимосвязь.

Одним из основных ограничений, накладываемых на работу двигателя, является давление, развиваемое в цилиндре во время сгорания.При обсуждении степеней сжатия и указанного среднего эффективного давления было обнаружено, что в определенных пределах повышенное давление приводит к увеличению мощности. Было также отмечено, что, если давление в цилиндре не будет контролироваться в жестких пределах, это вызовет опасные внутренние нагрузки, которые могут привести к отказу двигателя. Следовательно, важно иметь средства определения этих давлений в цилиндрах в качестве защитной меры и для эффективного использования мощности.

Если известна мощность в л.с., BMEP можно вычислить с помощью следующего уравнения:

BMEP = л.с. x 33000

LANK

Дано:

л.с. = 1000

Ход поршня = 6 дюймов

Диаметр цилиндра = 5.5 дюймов

об / мин = 3000

Число циклов = 12

Найдите BMEP:

Найдите длину хода (в футах):

L = 6 дюймов = 0,5 фута

Найдите площадь отверстия цилиндра:

A = ¼ πrD ²

A = ¼ x 3,1416 x 5,5 дюйма x 5,5 дюйма

A = 23,76 дюйма ²

Найдите количество рабочих ходов в минуту:

N = ½ x об / мин

V = ½ x 3000 об / мин

N = 1500

Затем подставив в уравнение:

BMEP = 1000 л.

No related posts.