Возникновение эффективной мощности двигателя.

 

На тракторах в качестве силовой установки используют преимуще­ственно дизели, в которых происходит преобразование тепловой энер­гии от сгорания топлива внутри цилиндров в механическую энергию на коленчатом валу. В результате сгорания топлива образуются продукты сгорания - газы, которые совершают работу в цилиндрах двигателя. Индикаторной диаграммой называют зависимость давления газов в ци­линдрах двигателя Р (МПа) от объема V (см³). На рисунке 88 показана индикаторная диаграмма рабочего цикла дизеля без наддува.

 

 

Рис. 88. Индикаторная диаграмма дизеля без наддува: V_c - объем камеры сгорания; V_h - рабочий объем цилиндра; V_a = V_b - полный объем цилиндра; Р_О- атмосферное давление 0,1 МПа., ВМТ - верхняя мертвая точка поршня; НМТ - нижняя мертвая точка

Впуск начинается в т. г при давлении газов Р_г немного выше атмо­сферного. Поршень движется от ВМТ к НМТ, в цилиндре объем увели­чивается, давление падает до величины Р_а ниже атмосферного, в резуль­тате чего в цилиндр всасывается воздух через открытый впускной клапан на линии га (за счет разницы давлений атмосферного Р„ и ниже атмо­сферного Р_а). Цилиндр наполняется свежим зарядом (воздухом). От т. а поршень движется из НМТ в ВМТ, в цилиндре происходит сжатие све­жего заряда, при закрытых впускном и выпускном клапанах давление и температура газов растут, объем уменьшается. В конце сжатия (пример­но в т. 1 за 5...10° по углу поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ) через форсунку впрыскивается топливо в цилиндр двигателя в мелкораспыленном состоянии. В результате трения частиц топлива с воздухом температура возрастает и происходит самовоспламенение топ­лива и дальнейшее его сгорание при резком возрастании давления от Р_с до Р_:. Газы при этом давят на поршень и он начинает двигаться второй раз от ВМТ к НМТ, происходит расширение, вначале предварительное на линии ZZ', а затем последующее на линии 2Ь. Газы совершают работу, происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Поршень через шатун заставляет вращаться коленчатый вал. Расши­рение (рабочий ход) происходит при увеличении объема газов в цилинд­ре, снижении давления и температуры газов. В конце процесса рабочий ход (примерно в т. 2) открывается выпускной клапан, поршень от т. Ъ движется второй раз из НМТ в ВМТ, происходит четвертый такт - такт на линии br. До прихода поршня в ВМТ (примерно в т. 3) открывается впускной клапан. Выпускной клапан закрывается после прохождения поршня ВМТ (примерно в т. 4). Это означает, что на промежутке от т. 3 до т. 4 оба клапана оказываются открытыми (перекрытие клапанов), что обеспечивает более полную очистку цилиндра от продуктов сгорания и более полное его последующее наполнение свежим зарядом на линии га. Далее цикл повторяется. Заштрихованная положительная площадь инди­каторной диаграммы - это есть индикаторная работа газов, совершаемая в цилиндре двигателя за один цикл. Индикаторной мощностью называют индикаторную работу газов, совершаемую в единицу времени. Величина индикаторной мощности N, зависит от геометрических параметров двигателя и параметров рабочего процесса:

 

где: Nj— индикаторная мощность, кВт;

Pi - среднее индикаторное давление газов, МПа; V_h - рабочий объем одного цилиндра, см³; п - частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; i - число цилиндров двигателя; г- тактность двигателя (для 4-тактного т=4); Н_и - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; Pit - плотность свежего заряда, кг/см³; ŋ _v - коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом; ŋi- индикаторный КПД двигателя; а - коэффициент избытка воздуха; I_o - теоретически необходимое количество воздуха для сгора­ния 1 кг топлива, кг воздуха/кг топлива.

Площадь индикаторной диаграммы, находящейся ниже атмосфер­ного давления Р_о является отрицательной, т.е. в создании мощности она участия не принимает. Это работа газов, затрачиваемая на впуск возду­ха в цилиндр. Так возникает индикаторная мощность, т.е. мощность внутри цилиндра. Однако практическое использование находит не ин­дикаторная, а эффективная мощность, т.е. мощность, снимаемая с ко­ленчатого вала и поступающая через трансмиссию к ведущим колесам трактора, в результате которой трактор совершает работу. Чем больше эффективная мощность, тем больше работа, совершаемая трактором, и его производительность. Между эффективной мощностью N_e и индика­торной N-, существует следующая зависимость:

 

 

где ŋ_м - механический КПД двигателя, учитывающий потери энергии на преодоление трения в подвижных трущихся по­верхностях деталей двигателя. Механический КПД сущест­вующих двигателей находится в пределах ŋ_м = 0,75...0,9.