Как найти работу двигателя внутреннего сгорания

Что такое мощность двигателя, крутящий момент и удельный расход топлива

Изобретенный более 100 лет назад поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), на сегодняшний день все еще является самым распространенным в автомобилестроении. При выборе модели двигателя своего будущего автомобиля покупатель может предварительно ознакомиться с его основными характеристиками. В этой статье мы подробно расскажем об основных показателях двигателей внутреннего сгорания, что они собой представляют и как влияют на работу.

Основные показатели двигателя
Сгорание топлива происходит внутри ДВС, в специальной камере цилиндра. Это приводит в движение поршень, который, совершая циклические возвратно-поступательные движения, проворачивает коленчатый вал. Таков упрощенный принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания. Основные характеристики

ДВС можно оценить тремя основными показателями:
— мощность двигателя;
— крутящий момент;
— расход топлива.

Рассмотрим более подробно каждый из этих показателей.

Что такое мощность двигателя
Под мощностью следует понимать физическую величину, которая показывает совершаемую двигателем работу за единицу времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения коленчатого вала. Обычно она указывается в лошадиных силах (л.с.), но встречается измерение и в кВт. Существует несколько единиц измерения под названием «лошадиная сила», но, как правило, имеется в виду так называемая «метрическая лошадиная сила», которая равная ≈ 0,7354 кВт. А вот в США и Великобритании лошадиные силы, касающиеся автомобилей, приравнивают к 0,7456 кВт, то есть как 75 кгс*м/с, что приблизительно равно 1,0138 метрической.

— 1 кВт = 1,3596 л.с. (для метрического исчисления);
— 1 кВт = 1,3783 hp (английский стандарт);
— 1 кВт = 1,34048 л.с. (электрическая «лошадка»).

Если же конвертировать мощность 1 лошадиной силы в киловатты (в промышленности или энергетике), то она будет примерно равна 0,746 кВт. Понятие лошадиная сила не входит в международную систему измерений (СИ), поэтому измерение мощности в кВт будет более правильным.

Чем больше мощность, тем большую скорость сможет развить автомобиль.

Индикаторной называют мощность, с которой газы давят на поршень. То есть, не учитываются никакие другие факторы, а только давление газов в момент их сгорания. Эффективная мощность, эта та сила, которая передается коленчатому валу и трансмиссии. Индикаторная будет пропорциональной литражу двигателя и среднему давлению газов на поршень.
Эффективная мощность двигателя будет всегда ниже индикаторной.
Также есть параметр, называемый литровой мощность двигателя. Это соотношение объема двигателя к его максимальной мощности. Для бензиновых моторов литровая мощность составляет в среднем 30-45 кВт/л, а у дизельных – 10-15 кВт/л.

Как узнать мощность двигателя автомобиля
Конечно, значение можно посмотреть в документах на машину, но иногда требуется узнать мощность автомобиля, который подвергался тюнингу или давно находится в эксплуатации. В таких случаях не обойтись без динамометрического стенда. Его можно найти в специализированных организациях и на станциях техобслуживания. Колеса автомобиля помещаются между барабанами, создающими сопротивление вращению. Далее имитируется движение с разной нагрузкой. Компьютер сам определит мощность двигателя. Для более точного результата может понадобиться несколько попыток.

Что такое крутящий момент
Крутящий момент двигателя рассчитывается по формуле: M = F*R, где F – это сила, с которой давит поршень, R — длина плеча (рычага). В нашем случае плечом будет расстояние от оси вращения коленчатого вала до места крепления шатунной шейки. Этот параметр измеряется в ньютонах на метр (Hм). 1H соответствует 0,1 кг, который давит на конец рычага длиной в метр.
Крутящий момент ДВС характеризует показатель силы вращения коленчатого вала и определяет динамику разгона автомобиля.

Что такое расход (удельный расход) топлива
Удельный расход топлива двигателя – это количество топлива, затрачиваемое для производства определенного количества энергии. Чем расход ниже, тем рациональнее будет использоваться топливо. Расход связан с эффективностью двигателя. Один двигатель может иметь разный расход топлива в зависимости от скорости и нагрузки.

Роль мощности и крутящего момента двигателя
Для обеспечения лучших динамических показателей двигателя, производители стараются наделить силовой агрегат максимальным крутящим моментом, который будет достигаться в более широком значении оборотов двигателя.
Чтобы правильно оценить роль этих двух понятий, стоит обратить внимание на следующие факты:
— Взаимосвязь мощности и крутящего момента можно выразить в формуле: P = 2П*M*n, где Р – это мощность, M – показатель крутящего момента, а n – количество оборотов коленвала в единицу времени.
— Крутящий момент более конкретный показатель характеристики двигателя. Низкий крутящий момент (даже при высокой мощности) не позволит реализовать потенциал двигателя: имея возможность разогнаться до высокой скорости, автомобиль будет достигать этой скорости невероятно долго.
— Мощность двигателя будет возрастать с повышением оборотов: чем выше, тем больше мощность, но до определенных пределов.
— Крутящий момент увеличивается с повышением количества оборотов, но при достижении максимального значения показатели крутящего момента снижаются.
— При равных показателях мощности и крутящего момента более эффективным будет двигатель с меньшим расходом топлива.

Источник

Задача №41. Определение работы двигателя автомобиля

Необходимо: определить работу двигателя, равноускорено движущегося автомобиля. Известно, что на участке пути равном ста метрам, автомобиль развил скорость сто восемь километров в час (тридцать метров в секунду), масса автомобиля две тысячи килограмм, коэффициент трения равен ноль целых пять сотых.

Дано: s=100 м; v=20 м/сек; m=2000 кг; κ=0,05
Найти: A-?

Запишем формулу для определения работы

,

где F – сила тяги, а s – путь.

Сила тяги состоит из силы , необходимой для равномерного перемещения автомобиля и силы придающей автомобилю ускорение

Формула для определения работы двигателя автомобиля принимает вид

Ускорение a найдем из формулы

Получаем итоговую формулу работы и производим расчет

Дж

Ответ: работа двигателя равноускорено движущегося автомобиля равна 128000 джоуль.

Источник

Определение работы двигателя автомобиля

Необходимо: определить работу двигателя, равноускорено движущегося автомобиля. Известно, что на участке пути равном ста метрам, автомобиль развил скорость сто восемь километров в час (тридцать метров в секунду), масса автомобиля две тысячи килограмм, коэффициент трения равен ноль целых пять сотых.

Дано: s=100 м; v=20 м/сек; m=2000 кг; κ=0,05
Найти: A-?

Запишем формулу для определения работы

,

где F – сила тяги, а s – путь.

Сила тяги состоит из силы , необходимой для равномерного перемещения автомобиля и силы придающей автомобилю ускорение

Формула для определения работы двигателя автомобиля принимает вид

Ускорение a найдем из формулы

Получаем итоговую формулу работы и производим расчет

Дж

Ответ: работа двигателя равноускорено движущегося автомобиля равна 128000 джоуль.

Источник

Работа, мощность, КПД

Сила, перемещающая тело, совершает работу. Работа – это разность энергии тела в начале процесса и в его конце. А мощность – это работа за одну секунду. Коэффициент полезного действия (КПД) – это дробное число. Максимальный КПД равен единице, однако, часто, КПД меньше единицы.

Работы силы, формула

Сила, приложенная к телу и перемещающая его, совершает работу (рис. 1).

Работа силы — это скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения.

Работу, совершаемую силой, можно посчитать, используя векторный или скалярный вид записи такой формулы:

Векторный вид записи

Для решения задач правую часть этой формулы удобно записывать в скалярном виде:

[ large boxed < A = left| vecright| cdot left| vec right| cdot cos(alpha) >]

( F left( H right) ) – сила, перемещающая тело;

( S left( text <м>right) ) – перемещение тела под действием силы;

( alpha ) – угол между вектором силы и вектором перемещения тела;

Работу обозначают символом (A) и измеряют в Джоулях. Работа – это скалярная величина.

В случае, когда сила постоянная, формула позволяет рассчитать работу, совершенную силой за полное время ее действия.

Если сила изменяется со временем, то в каждый конкретный момент времени будем получать мгновенную работу. Эти, мгновенные значения для разных моментов времени будут различаться.

Рассмотрим несколько случаев, следующих из формулы:

Работа — разность кинетической энергии

Работу можно рассчитать еще одним способом — измеряя кинетическую энергию тела в начале и в конце процесса движения. Рассмотрим такой пример. Пусть автомобиль, движется по горизонтальной прямой и, при этом увеличивает свою скорость (рис. 2). Масса автомобиля 1000 кг. В начале его скорость равнялась 1 м/с. После разгона скорость автомобиля равна 10 метрам в секунду. Найдем работу, которую пришлось проделать, чтобы ускорить этот автомобиль.

Для этого посчитаем энергию движения автомобиля в начале и в конце разгона.

( E_ left(text <Дж>right) ) – начальная кинетическая энергия машины;

( E_ left(text <Дж>right) ) – конечная кинетическая энергия машины;

( m left( text<кг>right) ) – масса автомобиля;

( displaystyle v left( frac<text<м>>right) ) – скорость, с которой машина движется.

Кинетическую энергию будем вычислять, используя формулу:

[ large E_ = 1000 cdot frac<1^<2>> <2>= 500 left(text <Дж>right) ]

[ large E_ = 1000 cdot frac<10^<2>> <2>= 50000 left(text <Дж>right) ]

Теперь найдем разницу кинетической энергии в конце и вначале разгона.

[ large Delta E_ = E_ — E_ ]

[ large Delta E_ = 50000 – 500 = 49500 left(text <Дж>right) ]

Значит, работа, которую потребовалось совершить, чтобы разогнать машину массой 1000 кг от скорости 1 м/с до скорости 10 м/с, равняется 49500 Джоулям.

Примечание: Работа – это разность энергии в конце процесса и в его начале. Можно находить разность кинетической энергии, а можно — разность энергии потенциальной.

Работа силы тяжести — разность потенциальной энергии

Рассмотрим теперь следующий пример. Яблоко массой 0,2 кг упало на садовый стол с ветки, находящейся на высоте 3 метра от поверхности земли. Столешница располагается на высоте 1 метр от поверхности (рис. 3). Найдем работу силы тяжести в этом процессе.

Посчитаем потенциальную энергию яблока до его падения и энергию яблока на столешнице.

( E_ left(text <Дж>right) ) – начальная потенциальная энергия яблока;

( E_ left(text <Дж>right) ) – конечная потенциальная энергия яблока;

Примечание: Работу можно рассчитать через разность потенциальной энергии тела.

Потенциальную энергию будем вычислять, используя формулу:

[ large E_

= m cdot g cdot h]

( m left( text<кг>right) ) – масса яблока;

( h left( text<м>right) ) – высота, на которой находится яблоко относительно поверхности земли.

Начальная высота яблока над поверхностью земли равна 3 метрам

[ large E_ = 0,2 cdot 10 cdot 3 = 6 left(text <Дж>right) ]

Потенциальная энергия яблока на столе

[ large E_ = 0,2 cdot 10 cdot 1 = 2 left(text <Дж>right) ]

Теперь найдем разницу потенциальной энергии яблока в конце падения и перед его началом.

[ large Delta E_

= E_ — E_ ]

[ large Delta E_

= 2 – 6 = — 4 left(text <Дж>right) ]

Важно помнить: Когда тело падает на землю, его потенциальная энергия уменьшается. Сила тяжести при этом совершает положительную работу!

Чтобы работа получилась положительной, в правой части формулы перед ( Delta E_

) дополнительно допишем знак «минус».

Значит, работа, которую потребовалось совершить силе тяжести, чтобы яблоко массой 0,2 кг упало с высоты 3 м на высоту 1 метр, равняется 4 Джоулям.

Примечания:

Рисунок 4 иллюстрирует факт, что для силы (displaystyle F_<text<тяж>>) работа зависит только от разности высот и не зависит от траектории, по которой тело двигалось.

Мощность

В механике мощность часто обозначают символами N или P и измеряют в Ваттах в честь шотландского изобретателя Джеймса Уатта.

Примечание: Символ (vec) используется для обозначения силы реакции опоры — она измеряется в Ньютонах и является векторной величиной. Чтобы не возникло путаницы, мощность вместо N будем обозначать символом P. Символ P – первая буква в английском слове power – мощность.

Мощность – это работа, совершенная за одну секунду (энергия, затраченная за 1 сек).

Расчет работы осуществляем, используя любую из формул:

[ large A = F cdot S cdot cos(alpha) ]

Разделив эту работу на время, в течение которого она совершалась, получим мощность.

Если работа совершалась равными частями за одинаковые интервалы времени – мощность будет постоянной величиной.

Мощность переменная, когда в некоторые интервалы времени совершалось больше работы.

Еще одна формула для расчета мощности

Есть еще один способ расчета мощности, когда сила перемещает тело и при этом скорость тела не меняется:

[ large P = left( vec , vec right) ]

Формулу можно записать в скалярном виде:

[ large P = left| vec right| cdot left| vec right| cdot cos(alpha) ]

( F left( H right) ) – сила, перемещающая тело;

( displaystyle v left( frac<text<м>> right) ) – скорость тела;

( alpha ) – угол между вектором силы и вектором скорости тела;

Когда векторы (vec) и (vec) параллельны, запись формулы упрощается:

Примечание: Такую формулу для расчета мощности можно получить из выражения для работы силы, разделив обе части этого выражения на время, в течение которого работа совершалась (а если точнее, найдя производную обеих частей уравнения).

КПД – коэффициент полезного действия. Обычно обозначают греческим символом (eta) «эта». Единиц измерения не имеет, выражается либо десятичной дробью, либо в процентах.

Примечания:

Вычисляют коэффициент (eta) для какого-либо устройства, механизма или процесса.

( large A_<text<полезная>> left(text <Дж>right)) – полезная работа;

(large A_<text<вся>> left(text <Дж>right)) – вся затраченная для выполнения работы энергия;

Примечание: КПД часто меньше единицы, так как всегда есть потери энергии. Коэффициент полезного действия не может быть больше единицы, так как это противоречит закону сохранения энергии.

Величина (eta) является дробной величиной. Если числитель и знаменатель дроби разделить на одно и то же число, полученная дробь будет равна исходной. Используя этот факт, можно вычислять КПД, используя мощности:

Источник

Устройство автомобиля для сдающих экзамены в ГИБДД и начинающих водителей

Несмотря на то что в автошколах немало внимания уделяется вопросам технического устройства автомобиля, полученных знаний хватает далеко не всем новичкам. Данная книга призвана восполнить этот пробел. Она поможет вам в короткие сроки разобраться в том, что представляет собой современный автомобиль, из каких узлов и агрегатов он состоит, почему при наличии определенных неисправностей машину нельзя эксплуатировать и т. д. Легкий и доступный стиль изложения и большое количество цветных иллюстраций способствуют быстрому усвоению предлагаемого материала даже теми, кто до настоящего момента никогда не имел дела с автомобилем. Книга рекомендована журналом «Автомир» и интернет-порталом www.avtotut.ru.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Устройство автомобиля для сдающих экзамены в ГИБДД и начинающих водителей предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

2. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Общее устройство и работа ДВС

Почти на всех современных автомобилях в качестве силовой установки применяется двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 2.1).

Существуют еще электромобили, но их мы рассматривать не будем.

Рис. 2.1. Внешний вид двигателя внутреннего сгорания

В основе работы каждого ДВС лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов, которые образуются при сгорании топливной смеси, именуемой в дальнейшем рабочей.

При этом горит не само топливо. Горят только его пары, смешанные с воздухом, которые и являются рабочей смесью для ДВС. Если поджечь эту смесь, она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если поместить смесь в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку.

В ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %.

ДВС, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипношатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:

♦ выпуска отработавших газов;

Основные детали ДВС:

♦ головка блока цилиндров;

♦ распределительный вал с кулачками;

Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема — с восьмью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 2.2). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.

Рис. 2.2. Схемы расположения цилиндров в двигателях различной компоновки:

а — четырехцилиндровые; б — шестицилиндровые; в — двенадцатицилиндровые (α — угол развала)

Принцип работы ДВС проще всего рассматривать на примере одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью, к которому прикручена съемная головка. В цилиндре находится поршень цилиндрической формы — стакан, состоящий из головки и юбки (рис. 2.3). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Они обеспечивают герметичность пространства над поршнем, не давая возможности газам, образующимся при работе двигателя, проникать под поршень. Кроме того, поршневые кольца не допускают попадания масла в пространство над поршнем (масло предназначено для смазки внутренней поверхности цилиндра). Иными словами, эти кольца играют роль уплотнителей и делятся на два вида: компрессионные (те, которые не пропускают газы) и маслосъемные (препятствующие попаданию масла в камеру сгорания) (рис. 2.4).

Смесь бензина с воздухом, приготовленная карбюратором или инжектором, попадает в цилиндр, где сжимается поршнем и поджигается искрой от свечи зажигания. Сгорая и расширяясь, она заставляет поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия превращается в механическую.

Рис. 2.4. Поршень с шатуном:

1 — шатун в сборе; 2 — крышка шатуна; 3 — вкладыш шатуна; 4 — гайка болта; 5 — болт крышки шатуна; 6 — шатун; 7 — втулка шатуна; 8 — стопорные кольца; 9 — палец поршня; 10 — поршень; 11 — маслосъемное кольцо; 12, 13 — компрессионные кольца

Далее следует преобразование хода поршня во вращение вала. Для этого поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 2.5).

В результате перемещения поршня в цилиндре сверху вниз и обратно через шатун происходит вращение коленчатого вала.

Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется самое верхнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вверх и готов начать движение вниз) (см. рис. 2.3). Самое нижнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вниз и готов начать движение вверх) называют нижней мертвой точкой (НМТ) (см. рис. 2.3). А расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.

Рис. 2.5. Коленчатый вал с маховиком:

1 — коленчатый вал; 2 — вкладыш шатунного подшипника; 3 — упорные полукольца; 4 — маховик; 5 — шайба болтов крепления маховика; 6 — вкладыши первого, второго, четвертого и пятого коренных подшипников; 7 — вкладыш центрального (третьего) подшипника

Когда поршень перемещается сверху вниз (от ВМТ до НМТ), объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ — это камера сгорания.

А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра.

В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.

Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливо-воздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6–14, у дизельных — 14–24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (используется чаще). При этом 1 л. с. равна примерно 0,735 кВт.

Как мы уже говорили, работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре топливо-воздушной смеси.

В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (рис. 2.6), в дизельных — от сжатия.

Рис. 2.6. Свеча зажигания

При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно: в момент сгорания горючей смеси резко ускоряется, а все остальное время замедляется.

Для повышения равномерности вращения на коленчатом валу, выходящем наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск — маховик (см. рис. 2.5). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются.

А сейчас поговорим немного подробнее о работе одноцилиндрового двигателя.

Повторим, первое действие — попадание внутрь цилиндра (в пространство над поршнем) топливо-воздушной смеси, которую приготовил карбюратор или инжектор. Этот процесс называется тактом впуска (первый такт). Заполнение цилиндра двигателя топливо-воздушной смесью происходит, когда поршень из верхнего положения движется в нижнее. При этом к цилиндру двигателя подведены два канала: впускной и выпускной. Горючая смесь впускается через первый канал, а продукты ее сгорания выходят через второй. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны. Их принцип действия очень прост: клапан — это подобие гвоздя с большой круглой шляпкой, перевернутый шляпкой вниз, которой закрывается вход из канала в цилиндр.

При этом шляпка прижимается к кромке канала мощной пружиной и закупоривает его.

Если нажать на клапан (тот самый гвоздь), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала откроется (рис. 2.7).

Во время этого такта поршень перемещается из ВМТ в НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью до тех пор, пока поршень не окажется в НМТ, то есть его дальнейшее движение вниз станет невозможным. Из ранее сказанного мы с вами уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот. Так вот, за первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) коленвал проворачивается на пол-оборота.

После того как топливо-воздушная смесь, приготовленная карбюратором или инжектором, попала в цилиндр, смешалась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан, она становится рабочей.

Теперь наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и деваться ей стало некуда: впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. В этот момент поршень начинает движение снизу вверх (от НМТ к ВМТ) и пытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра (см. рис. 2.7). Однако, как говорится, стереть в порошок эту смесь ему не удастся, поскольку преступить черту ВМТ поршень не может, а внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, находящимся в ВМТ, всегда оставалось пусть не очень большое, но свободное пространство — камера сгорания. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8–1,2 МПа, а температура достигает 450–500 °C.

Источник

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q₁ – количество теплоты полученное от нагревания

Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м³, s = 100 км = 10⁵ м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м³, q = 46 × 10⁶ Дж/кг.

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q₁.

Решение

  =

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Необходимо: определить работу двигателя, равноускорено движущегося автомобиля. Известно, что на участке пути равном ста метрам, автомобиль развил скорость сто восемь километров в час (тридцать метров в секунду), масса автомобиля две тысячи килограмм, коэффициент трения равен ноль целых пять сотых.

Дано: s=100 м; v=20 м/сек; m=2000 кг; κ=0,05
Найти: A-?

Решение

Запишем формулу для определения работы

,

где F – сила тяги, а s – путь.

Сила тяги состоит из силы , необходимой для равномерного перемещения автомобиля и силы придающей автомобилю ускорение

Формула для определения работы двигателя автомобиля принимает вид

Ускорение a найдем из формулы

Получаем итоговую формулу работы и производим расчет

Дж

Ответ: работа двигателя равноускорено движущегося автомобиля равна 128000 джоуль.

КПД измеряется в процентах или указывается как десятичная дробь от 0 до 1. КПД 50% (или, что тоже самое– 0,5) означает, что только половина энергии используется для выполнения работы. Остальная рассеивается в окружающем пространстве, как правило, в форме тепла.

КПД в формулах обозначают греческой буквой $eta$ (эта).

$eta = frac{A_п}{A_з}$

, где $A_п$ — полезная работа, $A_з$ — затраченная.

Полезная работа и потери энергии

«Полезность» выполняемой работы — величина субъективная, связанная с человеческим восприятием, поэтому о КПД говорят чаще всего применительно к искусственно созданным системам. Несмотря на то, что технологии совершенствуются, избежать потерь в рукотворных системах инженерам не удастся:

• в механических устройствах часть затрачиваемой энергии всегда тратится на преодоление сил трения между соприкасающимися деталями (эти силы уменьшают за счет более тщательной обработки и смазки);
• в электрических системах часть энергии рассеивается в виде тепла при преодолении сопротивления проводников (явление сверхпроводимости еще не применимо к практике и требует низких температур);
• в нагревательных приборах утечки происходят в силу дефектов теплоизоляции и т.п.

Таким образом,

$A_з$ > $A_п$

, где $A_з$ — работа затраченная, $A_п$ — работа полезная.

«Формула полезной работы в физике для КПД» 👇

Потери энергии можно сводить к минимуму, но полностью исключить их невозможно. Какое бы совершенное устройство мы не придумали, КПД никогда не достигнет единицы в силу второго закона термодинамики, действие которого исключает создание механизмов с КПД равным или большим 100%.

КПД различных физических процессов

Методики подсчета КПД разнятся в зависимости от физической природы явлений, задействованных в преобразующих энергию системах.

При практических расчетах, связанных с движением, знаменатель формулы КПД удобнее представить не как работу (произведение силы на расстояние), а как затраченную энергию, выделившуюся, например, при сжигании топлива:

$eta = frac{A_п}{Q}$

, где $A_п$ — выполненная системой полезная работа, $Q$ — затраченная системой энергия.

Например, зная сколько бензина истрачено двигателем автомобиля (количество выделившегося в результате тепла можно легко подсчитать), а также массу, скорость и пройденное расстояние, легко найти КПД.

Если речь идет не об автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, а об электромобиле, то затраты энергии в знаменателе можно подсчитать как произведение средних тока и напряжения за время движения рассматриваемого транспортного средства.

Поскольку мощность представляет собой работу, выполняемую в единицу времени, КПД иногда бывает удобно посчитать как соотношение входной и выходной мощностей системы:

$eta = frac{P_{out}}{P_{in}}$

, где $P_{in}$ — мощность на входе системы, $P_{out}$ — на выходе.

Такой подход удобен, например, при расчете КПД солнечных батарей. В знаменателе в этом случае будет мощность светового излучения, падающего на их поверхность, в числителе — мощность генерируемого тока.

ГЛАВА
5

ДВИГАТЕЛИ
ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНИЯ

§ 5.1. ПАРАМЕТРЫ,
ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ

Среднее индикаторное
давление и индикаторная мощность.
Под средним индикаторным давлением p_i
понимают
такое условное постоянное давление,
которое, действуя на поршень в течение
одного рабочего хода, совершает работу,
равную индикаторной работе газов в
цилиндре за рабочий цикл.

Согласно определению,
среднее индикаторное давление (Па) равно
отношению индикаторной работы L_i
газов за цикл к еди­нице рабочего
объема V_h
цилиндра,
т. е.

. (5.1)

При наличии
индикаторной диаграммы, снятой с
двигателя (рис. 5.1), среднее индикаторное
давление можно определить по формуле

. (5.2)

где
F
— полезная
площадь индикатор­ной диаграммы, м²;
l
— длина индика­торной диаграммы, м;
т —
масштаб давления индикаторной диаграммы,
Па/м.

Среднее индикаторное
давление при полной нагрузке у
четырехтакт­ных карбюраторных
двигателей 8·10⁵…12·10⁵
Па, у четырехтактных дизелей —
7,5·10⁵…10·10⁵
Па, у двух­тактных дизелей — 6·105…9·10⁵
Па.

Индикаторной
мощностью N_i
(кВт) двигателя
называют работу, соверша­емую газами
в цилиндрах двигателя в единицу времени,
т. е.

, (5.3)

где
р_i
— среднее
индикаторное давление, Па; V_h
— рабочий
объ­ем цилиндра, м³;
п —
частота вращения коленчатого вала,
об/с; τ
— тактность двигателя (τ=4
— для четырехтактных двигателей и τ=2
— для двухтактных); i
— число
цилиндров.

Рабочий объем (м³)
цилиндра

V_h=nD²S/4, (5.4)

где D
— диаметр
цилиндра, м; S
— ход поршня,
м.

Если известны
степень сжатия е двигателя и объем V_c
камеры
сгорания, то рабочий объем V_h
цилиндра
может быть определен по формуле

V_h=(-1)V_c, (5.5)

где 
— степень сжатия, равная отношению
полного объема V_a
цилиндра к
объему V_c
камеры
сгорания, т. е.

.

Эффективная
мощность двигателя и среднее эффективное
дав­ление. Эффективной мощностью N_e
называют
мощность, снима­емую с коленчатого
вала двигателя для получения полезной
работы.

Эффективная
мощность меньше индикаторной мощности
N_i
на величину
мощности N_M
механических
потерь, т. е.

N_e=N_i—N_M. (5.6)
.

Механические
потери в двигателе оцениваются
механическим кпд η_м
который
представляет собой отношение эффективной
мощности к индикаторной:

. (5.7)

Для современных
двигателей механический кпд составляет
0,72…0,9. Зная механический кпд, можно
определить эффектив­ную мощность

N_e=η_мN_i. (5.8
)

Эффективная
мощность N_e
(кВт) двигателя
аналогично ин­дикаторной мощности
может быть выражена через среднее
эф­фективное давление:

. (5.9
)

Среднее эффективное
давление р_е
равно разности
между сред­ним индикаторным давлением
p_i
и средним давлением р_м
механи­ческих
потерь:

p_e=p_i—p_м. (5.10)

Зная механический
кпд, можно определить среднее эффектив­ное
давление (Па):

р_е=η_мр_i. (5.11)

Среднее эффективное
давление при максимальной мощности у
четырехтактных карбюраторных двигателей
составляет 6,5·10⁵…9,5·10⁵
Па, у четырехтактных дизелей —
6·10⁵…8·10⁵
Па, у двухтактных дизелей — 5·10⁵…7,5·10⁵
Па.

Литровая мощность
двигателя.
Литровой мощностью двига­теля N_л,
(кВт/м³)
называют отношение эффективной мощности
N_е
к литражу
двигателя iV_h:

. (5.12)

Индикаторный
кпд и удельный индикаторный расход
топлива.
Экономичность действительного рабочего
цикла двигателя оце­нивается
индикаторным кпд η_i
и удельным индикаторным рас­ходом
топлива b_i.

Индикаторный кпд
η_i
оценивает степень использования тепло­ты
в действительном цикле с учетом всех
тепловых потерь и представляет собой
отношение теплоты, эквивалентной
полез­ной индикаторной работе, ко
всей затраченной теплоте:

. (5.13)

где N_i
— индикаторная
мощность, кВт; В
— расход
топлива, кг/с; Q
— низшая теплота сгорания топлива,
кДж/кг.

Удельный индикаторный
расход топлива b_i,
[кг/(кВт·ч)]
пред­ставляет собой отношение расхода
топлива В к
индикаторной мощности N_i.

b_i=B·3600/N_i. (5.14)

Значения
η_i
и b_i
для двигателей
при их работе на номинальном режиме
приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Тип двигателей	Индикаторный кпд	Эффективный кпд	Удельный индикаторный расход топлива bi г/(кВт·ч)	Удельный эффективный расход топлива be г/(кВт·ч)
Карбюраторные	0,26…0,38	0,25…0,32	230…300	280…325
Дизели	0,43…0,52	0,35…0,45	160…200	190…240

Эффективный кпд
и удельный эффективный расход топлива.
Экономичность работы двигателя в целом
оценивается эффек­тивным кпд
η_е
и удельным эффективным расходом топлива
b_е.

Эффективный кпд
η_е
оценивает степень использования тепло­ты
топлива с учетом всех видов потерь
(как тепловых, так и механических) и
представляет собой отношение теплоты,
эквивалентной полезной эффективной
работе, ко всей затраченной теплоте:

. (5.15)

Если известны
индикаторный кпд и механический кпд,
то

η_е=η_iη_м. (5.16)

Удельный эффективный
расход топлива b_е
[кг/(кВт·ч)]
пред­ставляет собой отношение расхода
топлива В к
эффективной мощности N_e:

b_e=B·3600/N_e. (5.17)

Значения η_е
и b_е
для двигателей
при их работе на номинальном режиме
приведены в табл. 5.1.

Расход (кг/с)
воздуха, проходящего через двигатель:

M_в=2V_hη_Vniρ_в/τ, (5.18)

где V_h
— рабочий
объем цилиндра, м³;
η_V
— коэффициент
напол­нения цилиндров; п
— частота
вращения коленчатого вала, об/с; i
— число цилиндров; ρ_в
— плотность
воздуха, кг/м³;
m
— тактность двигателя.

Задача 5.1.
Определить индикаторную и эффективную
мощ­ности восьмицилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если среднее индикаторное
давление p_i=7,5·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня S=0,095
м, частота вращения коленчатого вала
n=3000
об/мин и механический кпд η_м=0,8.

Ответ: N_i=112,5
кВт; N_e=90
кВт.

Задача 5.2.
Определить
эффективную мощность и удельный
эффективный расход топлива восьмицилиндрового
четырехтакт­ного дизельного двигателя,
если среднее индикаторное давление
р_i=7,5·10⁵
Па, степень сжатия =16,5,
объем камеры сгорания V_c=12·10^-5
м³,
угловая скорость вращения коленчатого
вала w=220
рад/с, механический кпд η_м=0,8
и расход топлива B=1,02·10^-2
кг/с.

Решение:
Среднее эффективное давление определяем
по формуле (5.11):

р_е=η_мр_i
=7,5·10⁵·0,8=6·10⁵
Па.

Рабочий объем
цилиндра, по формуле (5.5),

V_h=(-1)V_c=(16,5-1)12·10^-5=18,6·10^-4
м³.

Частота вращения
коленчатого вала

n=w/(2)=220/(2·3,14)=35
об/с.

Эффективная
мощность двигателя, по формуле (5.9),

=156
кВт.

Удельный эффективный
расход топлива, по формуле (5.17),

b_e=B·3600/N_e=1,02·10^-2·3600/156=0,235
кг/(кВт·ч).

Задача 5.3.
Определить удельный эффективный расход
топ­лива шестицилиндрового
четырехтактного дизельного двигателя,
если среднее эффективное давление
p_е=7,2·10⁵
Па, полный объ­ем цилиндра V_a=1,9·10^-4
м³,
объем камеры сгорания V_c=6,9·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала п=37
об/с и расход
топлива В=3,8·10^-3
кг/с.

Ответ: b_е=0,238
кг/(кВт·ч).

Задача 5.4.
Определить индикаторную мощность и
среднее индикаторное давление
четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если эффективная
мощность N_e=100
кВт, угловая скорость вращения коленчатого
вала w=157
рад/с, сте­пень сжатия =15,
объем камеры сгорания V_c=2,5·10^-4
м³
и ме­ханический кпд η_м=0,84.

Ответ: N_i=119
кВт; p_i=6,8·10⁵
Па.

Задача 5.5.
Определить
индикаторную мощность и удельный
индикаторный расход топлива
шестицилиндрового четырехтакт­ного
дизельного двигателя, если среднее
эффективное давление p_e=6,2·10⁵
Па, диаметр
цилиндра D=0,11
м, ход поршня S=0,14
м, средняя скорость поршня с_т=8,4
м/с, расход топлива B=5,53·10^-3
кг/с и механический кпд η_м=0,82.

Ответ: N_i=90,5
кВт; b_i=0,220
кг/(кВт·ч).

Задача 5.6.
Определить диаметр цилиндра и ход поршня
че­тырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если эффективная
мощность N_e=80
кВт, среднее эффективное давле­ние
p_e=6·10⁵
Па, частота
вращения коленчатого вала п=1800
об/мин и средняя скорость поршня с_т=9,6
м/с.

Ответ: D=0,135
м; B=0,16
м.

Задача 5.7.
Определить мощность механических потерь
восьмицилиндрового четырехтактного
карбюраторного двигате­ля, если
среднее индикаторное давление р_e=1,5·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня S=0,095
м, частота вращения коленчатого вала
n=50
об/с и механический кпд η_м=0,8.

Ответ: N_M=22,4
кВт.

Задача 5.8.
Определить индикаторную мощность и
мощ­ность механических потерь
шестицилиндрового двухтактного
дизельного двигателя, если среднее
эффективное давление р_e=6,36·10⁵
Па, степень сжатия =16,
объем камеры сгорании V_c=7,8·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала n=35
об/с
и механический
кпд η_м=0,84.

Ответ: N_i=186
кВт; N_M=29,8
кВт.

Задача 5.9.
Определить
среднее индикаторное давление и среднее
давление механических потерь
восьмицилиндрового че­тырехтактного
карбюраторного двигателя, если эффективная
мо­щность N_e=145
кВт, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня V_h=0,09м,
средняя скорость поршня с_т=12,0
м/с и механический кпд η_м=0,8.

Ответ: p_i=9,6·10⁵
Па; p_м=1,92·10⁵
Па.

Задача 5.10.
Определить эффективную мощность и
удельный эффективный расход топлива
восьмицилиндрового четырехтакт­ного
карбюраторного двигателя, если
индикаторная работа газов за цикл L_i=649
Дж, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня
S=0,095
м, средняя скорость поршня с_m=9,5
м/с, механический кпд η_м=0,85
и расход топлива В=9,1·10^-3
кг/с.

Ответ: N_e=110,5
кВт; b_е=0,316
кг/(кВт·ч).

Задача 5.11.
Определить удельные индикаторный и
эффек­тивный расходы топлива
четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если среднее
индикаторное давление p_i=6,8·10⁵
Па, степень сжатия =15,
полный объем цилиндра V_a=37,5·10^-4
м³,
угловая скорость вращения коленчатого
вала w=157
рад/с, механический кпд η_м=0,84
и расход топлива B=5,95·10^-3
кг/с.

Ответ: b_i=0,180
кг/(кВт·ч); b_е=0,214
кг/(кВт·ч).

Задача 5.12.
Определить эффективную мощность и
мощность механических потерь
шестицилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если среднее
эффективное давление р_e=5,4·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,108
м, ход поршня S=0,12
м, средняя скорость поршня с_т=8,4
м/с и механический кпд η_м=0,78.

Ответ: N_e=62,4
кВт; N_M=17,6
кВт.

Задача 5.13.
Определить
среднее индикаторное давление и
индикаторную мощность шестицилиндрового
четырехтактного дизельного двигателя,
если диаметр цилиндра D=0,15
м, ход поршня S=0,18
м, частота вращения коленчатого вала
n=1500об/мин.
Индицированием двигателя получена
индикатор­ная диаграмма полезной
площадью F=l,95·10^-3
м²,
длиной l=0,15
м при масштабе давлений т=0,6·10⁸
Па/м.

Ответ: р_i=7,8·10⁵
Па, N_i=186
кВт.

Задача
5.14. Определить
удельный индикаторный расход то­плива
шестицилиндрового четырехтактного
карбюраторного двигателя, если диаметр
цилиндра D=0,082
м, ход поршня S=0,11
м, частота вращения коленчатого вала
n=2800об/мин,
расход топлива B=4,5·10^-3
кг/с. Индицированием двигателя получена
индикаторная диаграмма полезной площадью
F=1,6·10^-3
м²,
длиной l=0,2
м при масштабе давлений m=1108
Па/м.

Решение:
Среднее индикаторное давление определяем
по формуле (5.2):

p_i=Fm/l=1,6·10^—3·1·10⁸/0,2=8·10⁵
Па.

Рабочий объем
цилиндра, по формуле (5.4),

V_h=D²S/4=3,14·0,082²·0,11/4=5,8·10⁴
м³.

Индикаторная
мощность двигателя, по формуле (5.3),

=65
кВт.

Удельный индикаторный
расход топлива, по формуле (5.14),

b_i=B·3600/N_i=4,5·10^-3·3600/65=0,249
кг/(кВт·ч).

Задача 5.15.
Определить индикаторную мощность и
мощ­ность механических потерь
четырехцилиндрового четырехтакт­ного
дизельного двигателя, если степень
сжатия =17,
полный объем цилиндра V_а=11,9·10^-4
м³,
угловая скорость вращения коленчатого
вала w=157
рад/с и механический кпд η_м=0,81.
Индицированием двигателя получена
индикаторная диаграмма полезной площадью
F=1,8·10^-3
м²,
длиной l=0,2
м при масш­табе давлений т=0,8·10⁸
Па/м.

Ответ: N_i=40,3
кВт; N_M=7,7
кВт.

Задача 5.16.
Определить среднее эффективное давление
и сре­днее давление механических
потерь двухцилиндрового четырех­тактного
дизельного двигателя, если эффективная
мощность N_e=18
кВт, диаметр цилиндра D=0,105
м, ход поршня S=0,12
м, частота вращения коленчатого вала
n=30
об/с и ме­ханический кпд η_м=0,78.

Ответ: р_е=5,77·10⁵
Па; р_м=1,63·10⁵
Па.

Задача 5.17.
Определить эффективную мощность и
механи­ческий кпд шестицилиндрового
четырехтактного дизельного дви­гателя,
если среднее эффективное давление
p_е=7,2·10⁵
Па, пол­ный объем цилиндра V_a=7,9·10^-4
м³,
объем камеры сгорания V_c=6,9·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала n=37
об/с и мощность механических потерь
N_M=14,4
кВт.

Ответ: N_e=57,6
кВт; η_м=0,8.

Задача 5.18.
Определить среднюю скорость поршня и
степень сжатия четырехцилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если эффективная мощность
N_e=51,5
кВт, среднее эффективное давление
р_е=6,45·10⁵
Па, ход поршня
S=0,092
м, частота вращения коленчатого вала
n=4000
об/мин и объем
камеры
сгорания V_c=1·10^-4
м³.

Ответ: с_m=12,3
м/с; =7,0.

Задача 5.19.
Определить угловую скорость вращения
колен­чатого вала и степень сжатия
шестицилиндрового четырехтакт­ного
карбюраторного двигателя, если эффективная
мощность N_e=66
кВт, среднее эффективное давление
р_е=6,5·10⁵
Па, часто­та
вращения коленчатого вала п=60
об/с и полный объем цилин­дра V_a=6,63·10^-4
м³.

Ответ: w=377
рад/с; =6,7.

Задача 5.20.
Определить индикаторную мощность и
механи­ческий кпд восьмицилиндрового
четырехтактного карбюратор­ного
двигателя, если среднее индикаторное
давление р_е=7,5·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,1
м, ход поршня S=0,095
м³
средняя скорость поршня с_т=9,5
м/с и мощность
механических потерь N_M=23,5
кВт.

Ответ: N_i=111,8
кВт; η_м=0,79.

Задача 5.21.
Определить
литраж и удельный эффективный расход
топлива шестицилиндрового четырехтактного
карбюра­торного двигателя, если
эффективная мощность N_e=52
кВт, сре­днее эффективное давление
р_е=6,4·10⁵
Па, угловая скорость вращения коленчатого
вала w=314
рад/с и расход топлива B=3,8·10^-3
кг/с.

Ответ: iV_h=32,5·10^-4
м³;
b_е=0,263
кг/(кВт·ч).

Задача 5.22.
Определить
расход топлива четырехцилиндрово­го
четырехтактного дизельного двигателя,
если среднее индика­торное давление
p_i=6,8·10⁵
Па, частота вращения коленчатого вала
n=25
об/с, степень сжатия =15,
объем камеры сгорания
V_c=2,5·10^-4
м³,
механический кпд η_м=0,84
и удельный эффек­тивный расход топлива
b_e=0,180
кг/(кВт·ч).

Ответ: В=5·10^—3
кг/с.

Задача 5.23.
Определить
расход топлива шестицилиндрового
четырехтактного карбюраторного двигателя
если среднее инди­каторное давление
p_i=8·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,082
м, ход поршня S=0,11
м, средняя скорость поршня с_т=9,9
м/с, механический
кпд η_м=0,85
и удельный эффективный расход топ­лива
b_e=0,276
кг/(кВт·ч).

Ответ: B=4,08·10^—3
кг/с.

Задача 5.24.
Определить
литровую мощность и удельный ин­дикаторный
расход топлива восьмицилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если среднее индикаторное
дав­ление p_i=8·10⁵
Па, диаметр цилиндра D=0,12
м, ход поршня S=0,1
м, угловая скорость вращения коленчатого
вала w=377
рад/с, механический кпд η_м=0,8
и расход топлива B=16·10^-3
кг/с.

Решение:
Рабочий объем цилиндра определяем по
формуле (5.4):

V_h=nD²S/4=3,14·0,12²·0,1/4=11,3·10⁴
м³.

Частота вращения
коленчатого вала

n=w/(2)=377/(2·3,14)=60
об/с.

Индикаторная
мощность двигателя, по формуле (5.3),

=217
кВт.

Эффективная
мощность двигателя, по формуле (5.8),

N_e=η_мN_i=217·0,8=173,6
кВт.

Литровая мощность
двигателя, по формуле (5.12),

=19200
кВт/м³.

Удельный индикаторный
расход топлива, по формуле (5.14),

b_i=B·3600/N_i=16·10^-3·3600/217=0,265
кг/(кВт·ч).

Задача 5.25.
Определить
литровую мощность шестицилиндрового
четырехтактного дизельного двигателя,
если среднее эф­фективное давление
р_е=1·10⁵
Па, частота вращения коленчатого вала
п=35
об/с, степень сжатия =14,5
и объем камеры сгорания V_с=22·10^-5
м³.

Ответ: N_л=12250
кВт/м³.

Задача 5.26.
Определить
индикаторную мощность и расход топлива
восьмицилиндрового карбюраторного
двигателя, если среднее эффективное
давление р_е=6,56·10⁵
Па, диаметр цилинд­ра D=0,12
м, ход поршня
S=0,1
м, частота вращения коленчатого вала
n=70
об/с, механический кпд η_м=0,82
и удельный
индикаторный расход топлива b_i=0,265
кг/(кВт·ч).

Ответ: N_i=
253 кВт; В=18,6·10^-2
кг/с.

Задача 5.27.
Определить
частоту вращения коленчатого вала и
удельный эффективный расход топлива
четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, если эффективная
мощ­ность N_e=109
кВт, среднее эффективное давление
р_е=5,6·10⁵
Па, степень сжатия =14,
объем камеры сгорания V_с=2,5·10^-4
м³
и расход топлива B=6,5·10^-3
кг/с.

Ответ: п=30
об/с; b_е=0,215
кг/(кВт·ч).

Задача 5.28.
Определить
эффективный кпд шестицилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если среднее эф­фективное
давление р_е=6,2·10⁵
Па, низшая теплота сгорания топлива
Q=44
000 кДж/кг, диаметр цилиндра D=0,092
м, ход поршня S=0,082
м, средняя скорость поршня с_т=8,2
м/с и рас­ход топлива B=4,4·10^-3
кг/с.

Решение:
Рабочий объем цилиндра определяем по
формуле (5.4):

V_h=nD²S/4=3,14·0,092²·0,082/4=5,45·10^-4
м³.

Частота вращения
коленчатого вала

n=c_m/(2S)=8,2/(2·0,082)=50
об/с.

Эффективная
мощность двигателя, по формуле (5.9),

=50,7
кВт.

Эффективный кпд,
по формуле (5.15),

=0,26.

Задача 5.29.
Определить
индикаторный и механический кпд
четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, ес­ли среднее
индикаторное давление p_i=6,8·10⁵Па,
низшая тепло­та сгорания топлива
Q=41800
кДж/кг, угловая скорость вра­щения
коленчатого вала w=157
рад/с, степень сжатия =15,
объем камеры сгорания V_с=2,5·10^-4
м³,
расход топлива B=6·10^-3
кг/с и эффективный кпд η_e=0,4.

Ответ: η_i=0,476;
η_м=0,84.

Задача 5.30.
Определить
индикаторный кпд шестицилиндрового
двухтактного дизельного двигателя,
если среднее эффектив­ное давление
р_е=6,36·10⁵
Па, низшая теплота сгорания топлива
Q=42000
кДж/кг, степень сжатия =16,
объем камеры сгора­ния V_с=7,8·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала
n=2100
об/мин, расход топлива B=1,03·10^-2
кг/с и мощность механических потерь
N_M=29,8
кВт.

Ответ: η_i=0,43.

Задача 5.31.
Определить индикаторный и эффективный
кпд четырехцилиндрового четырехтактного
дизельного двигателя, ес­ли степень
сжатия =17,
полный объем цилиндра V_a=11,9·10^-4
м³,
угловая скорость вращения коленчатого
вала w=157
рад/с, низшая теплота сгорания топлива
Q=42600
кДж/кг, расход топлива B=2,2·10^-3
кг/с и механичес­кий кпд η_м=0,81.
Индицированием двигателя получена
индикаторная диаграмма полезной площадью
F=1,9·10^-3
м²,
длиной l=0,19
м, при масштабе давлений m=0,72·10⁸Па/м.

Ответ: η_i=0,43;
η_e=0,35.

Задача 5.32.
Определить
расход топлива для восьмицилиндрового
четырехтактного карбюраторного
двигателя, если среднее эффективное
давление р_е=7·10⁵Па,
полный объем цилиндра V_a=7,9·10^-4
м³,
объем камеры сгорания V_c=7,0·10^-5
м³,
ча­стота вращения коленчатого вала
n=53
об/с, низшая теплота сгорания топлива
Q=46000
кДж/кг и эффективный кпд η_e=0,28.

Ответ: B=8,3·10^—3
кг/с.

Задача 5.33.
Определить
расход топлива для шестицилиндрового
четырехтактного дизельного двигателя,
если среднее ин­дикаторное давление
p_i=9·10⁵
Па, полный объем цилиндра V_a=7,9·10^-4
м³,
объем камеры сгорания V_c=6,9·10^-5
м³,
частота вращения коленчатого вала
п=2220
об/мин, низшая теплота сго­рания
топлива Q=42800
кДж/кг, эффективный кпд η_e=0,35
и механический кпд η_м=0,84.

Решение:
Рабочий объем цилиндра

V_h=V_a—V_c=1,9·10^—4-6,9·10^—5=7,2·10^—4
м³.

Индикаторный кпд
определяем из формулы (5.16):

η_i=η_е/η_м=0,35/0,84=0,44.

Индикаторная
мощность двигателя, по формуле (5.3),

=72
кВт.

Расход топлива,
по формуле (5.13),

=3,82·10^—3
кг/с.

Задача 5.34.
Определить экономию топлива в процентах,
ко­торую дает замена, карбюраторного
двигателя дизельным яри средней
индикаторной мощности N_i=148
кВт, если индикатор­ный кпд карбюраторного
двигателя η_i1=0,34,
дизельного — η_i2=0,45.
Низшая теплота сгорания бензина Q=43500
кДж/кг, дизельного топлива Q=42600кДж/кг.