Индикаторный крутящий момент

Крутящий момент — это произведение силы, вращающей кривошип, на радиус кривошипа. Крутящий момент выражается в ньютонометрах (Н • м). Развивая определенный крутящий момент, двигатель совершает работу.

При работе двигателя на его коленчатом вале развивается крутящий момент, который через механизмы трансмиссии передаётся на ведущие колёса автомобиля и приводит автомобиль в движение. Крутящий момент (Mk) равен произведению силы (F) на плечо её действия (r) и измеряется в ньютонах, умноженных на метр (H x m) или в килограмм силах, умноженных на метр (кгс x м).

Mk=F x r;

В двигателе силой действия является давление газов. Плечом действия силы является кривошип коленчатого вала. Чем выше давление газов, действующее на поршень, и больше радиус кривошипа, тем больший крутящий момент развивает двигатель. Величина давления рабочих газов зависит от ряда условий, рассмотренных в предыдущем подразделе (Мощность двигателя). Радиус кривошипа определяется конструкцией двигателя.

Крутящий момент двигателя растёт с увеличением оборотов коленчатого вала и достигает максимального значения на т.н. "оборотах максимального крутящего момента". Обороты коленчатого вала, соответствующие оборотам максимального крутящего момента, для разных типов двигателей лежат в пределах 1500 – 3000 об/мин (дизели) и 3000 – 4500 об/мин (бензиновые моторы). «Привязка» максимального крутящего момента к оборотам коленчатого вала, как и в случае с мощностью, обусловлена настройкой газораспределительного механизма мотора его впускного и выпускного тракта, а также системы питания и управления двигателем.

Мощность и крутящий момент двигателя связаны формулой: Mk = 716,2 Pef/n (кгс м);

Крутящий момент передаётся трансмиссией на ведущие колёса автомобиля и определяет силу тяги ведущих колёс: Ft = Mk x c x η/r, где Ft – сила тяги; Mk – момент крутящий; c – суммарное передаточное число трансмиссии; η – КПД трансмиссии (0,88 – 0,95); r – радиус ведущих колёс.

С точки зрения потребительского интереса к продукции автопрома, упрощённо, но можно говорить о том, что крутящий момент определяет тяговые характеристики автомобиля. Чем больший крутящий момент развивает двигатель, тем выше тяговые усилия на ведущих колёсах. Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую разгонную динамику автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги ведущих колесах.

Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше двигатель приспособлен к изменению дорожных условий (тем реже придется переключать передачи).

Большими крутящими моментами обладают малооборотистые моторы.

Построение индикаторной диаграммы

Тепловой расчет двигателя завершается построением индикаторной диаграммы рабочего процесса в координатных осях p-V. Индикаторная диаграмма, изображенная в этих осях, представляет собой зависимость давления газов в цилиндре от его объема. При построении индикаторной диаграммы следует помнить, что рабочий процесс в 4-татных двигателях происходит за два оборота коленчатого вала, т.е. за четыре хода поршня двигателя, а в 2-тактных за один оборот коленчатого вала, т. е. за два хода поршня.

Расчетная индикаторная диаграмма строится по значениям давлений и объемов в характерных точках расчетного цикла (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) и значениям показателей политроп сжатия и расширения (n ₁, n ₂). В качестве примера на рис. 1.2 представлены индикаторные диаграммы 4- и 2-тактных двигателей.

 

А	б
Рис. 1.2. Примерный вид расчетных индикаторных диаграмм 4-тактного (а) и 2-тактного (б) двигателей

 

1.9.1. Порядок построения индикаторной диаграммы 4-тактного двигателя

Построение индикаторной диаграммы начинается с процесса наполнения, который представляет собой изобару 8–1 и строится по значениям давления и объема двух ранее найденных точек р ₈, р ₁, V ₈, V ₁.

Процесс политропного сжатия 1–2 описывается уравнением

. (1.30)

Поэтому давление в любой точке политропного сжатия будет находиться как

, (1.31)

где р_i, V_i – давление и объем на i -ом промежуточном участке политропного сжатия.

Процессы изохорного (2–3) и изобарного (3–4) горения также описываются двумя точками и соответствующими в них значениями давления и объема р ₂, р ₃, р ₄, V ₂, V ₃, V ₄.

Процесс политропного расширения 4 – 5 описывается уравнением

. (1.32)

Давление в любой точке процесса расширения на участке 4 – 5

, (1.33)

где р_i, V_i – давление и объем на i -ом промежуточном участке политропного расширения.

Процесс выпуска отработавших газов (участок 5–6–7) описывается точками, рассчитанными ранее: р ₅, р ₇, V ₅, V ₆, V ₇. А значение величины давления р ₆, оно же давление на выходе из турбины р _г, определяется следующим образом

. (1.34)

После чего необходимо замкнуть полученную индикаторную диаграмму, вернувшись в точку начала построения 8.

3. Среднее эффективное давление, эффективный КПД двигателя и удельный эффективный расход топлива.

Среднее эффективное

Среднее эффективное давление р_е — условное постоянное давление в цилиндрах двигателя, при котором работа, производимая в них за один такт, равна эффективной работе за цикл. Оно, так же как и среднее индикаторное давление, — мера удельной работы. Единица измерения: МПа или Дж/л.

Среднее эффективное давление можно представить как отношение эффективной работы L_e двигателя за один цикл к рабочему объему цилиндра V_h:

р_е = L_e/V_h.

Это давление можно также представить как разность между средним индикаторным давлением р_i- и средним давлением механических потерь р_м, т. е.

р_е = р_i-р_м

При работе автомобильных двигателей на номинальном режиме значения ре находятся в следующих пределах: для четырехтактных карбюраторных двигателей 0,6...1,1 МПа; для четырехтактных дизелей без наддува 0,55...0,85 МПа; с наддувом до 2 МПа; для газовых двигателей 0,5...0,75 МПа; для двухтактных высокооборотных дизелей 0,4...0,75 МПа.

 

Эффективный КПД

 

Важным показателем является коэффициент полезного действия (КПД) двигателя, показывающий, какое количество энергии топлива преобразуется в механическую работу.

 

Характеристика двигателя, отражающая степень использования теплоты с учетом всех видов потерь как тепловых, так и механических. Представляет собой отношение полезной механической работы ко всей затраченной теплоте.

По определению выше:

 

ηe = Ae/Q1,

 

где Ae – полезная механическая работа; Q1 – затраченная теплота.

 

Также можно выразить эффективный КПД, используя другие коэффициенты полезного действия двигателя:

 

ηe = ηi·ηm = ηt·ηg·ηm,

 

где ηi – индикаторный КПД; ηm – механический КПД; ηt – термический КПД; ηg – относительный КПД.

 

Например, при работе двигателя внутреннего сгорания 1/3 энергии топлива преобразуется в механическую работу, 1/3 путем охлаждения передается в окружающую среду и 1/3 отводится в виде теплоты, содержащейся в отработавших газах. Любое использование тепловых потерь двух последних видов означает экономию энергии, более рациональное использование мощности двигателя и улучшение теплового, баланса автомобиля.