Как найти среднее эффективное давление двигателя

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.

Предлагаю, на мой взгляд, интересный способ оценки доработки двигателей и определения их, так сказать, потенциала. Мой способ (не побоюсь этого слова) основан на сравнении значений среднего эффективного давления в цилиндре, как серийных, так и доработанных двигателей. Этот же параметр используется при определении потенциала дальнейших доработок двигателей, в плане ещё большего увеличения мощности. Вот, для наглядности, индикаторная диаграмма двигателя Magnum 318.

Среднее эффективное давление иллюстрирует зелёный прямоугольник на представленной диаграмме. Его площадь равна площади зоны между зелёной линией (изменение давления на сжатии) и синей (изменение давления на расширении). А высота этого прямоугольника обозначает то самое среднее эффективное давление (далее Ре). Не буду углубляться в теорию ДВС. Простым языком, Ре — расчётный показатель, как если бы такое давление воздействовало на поршень всё время его движения на рабочем ходе, за вычетом давления на сжатии. В принципе, увеличение мощности двигателя возможно тремя способами:
1. Увеличение оборотов коленвала, при сохранении значения Ре;
2. Увеличение значения Ре, без изменения оборотов коленвала;
3. Первый и второй способ одновременно.
Увеличение значения крутящего момента, это всегда увеличение Ре.
Таким образом, чем больше достигнутое значение Ре, тем эффективней использован потенциал двигателя при доработке с инженерной точки зрения, конечно. Предлагаю взглянуть в таблицу.

В колонке 5 указано значение Ре на оборотах максимальной мощности, а в колонке 7 – значение Ре на оборотах максимального крутящего момента. Расчёт значений в колонке 8 производился следующим образом. За основу расчёта во-первых, бралось максимальное достигнутое значение Ре. Т.е. я исходил из того, что двигатель это давление выдерживает. Во-вторых, брались максимальные достигнутые обороты конкретного двигателя, из тех же соображений – двигатель способен развить эти обороты. Дальнейший расчёт возможной достижимой мощности вёлся исходя из этих параметров. Другими словами, максимальное достигнутое значение Ре «соединялось» с максимальными достигнутыми оборотами. И в завершении поделюсь некоторыми своими выводами. Лично меня, как владельца автомобиля Jeep Grand Cherokee с двигателем Magnum 318, удивило его Ре, сравнимое с Ре двигателей ВАЗ. А ещё говорят, что «старые» американские двигатели малофорсированные. Оказалось, что у них просто максимальные обороты невысокие, поэтому-то и низкие показатели удельной мощности на литр рабочего объёма. А по Ре Magnum 318 сопоставим с двигателями ВАЗ, которые малофорсированными не назовёшь. Ну а рекордсмен по полноте раскрытия потенциала двигателя, вовсе не BMW, со своими 845 л.с., а Skoda Octavia 1.8 TSI Stage 3, с максимальным значением Ре = 3,23 МПа. Но даже у этого двигателя ещё остались резервы. Кто бы мог подумать? Да и из BMW вполне возможно «выжать» 1000 л.с! Ну и ещё. Указанное в колонке 8 значение мощности — далеко не предел, а только, так скажем, доказанные возможности конкретного двигателя.

From Wikipedia, the free encyclopedia

Mean effective pressure
Common symbols	p
SI unit	Pascal (Pa)
In SI base units	1 kg⋅m−1⋅s−2
Derivations from other quantities	p = W·V−1
Dimension

The mean effective pressure (MEP) is a quantity relating to the operation of a reciprocating engine and is a measure of an engine’s capacity to do work that is independent of engine displacement.^[1] When quoted as an indicated mean effective pressure (IMEP), it may be thought of as the average pressure acting on a piston during the different portions of its cycle.

Derivation[edit]

Let:

= work per cycle in joule;

= power output in watt;

= mean effective pressure in pascal;

= displacement volume in cubic metre;

= number of revolutions per power stroke (for a 4-stroke engine, );^{[Note 1]}

= number of revolutions per second;

= torque in newton-metre.

The power produced by the engine is equal to the work done per operating cycle times the number of operating cycles per second. If N is the number of revolutions per second, and is the number of revolutions per power stroke, the number of power strokes per second is just their ratio. We can write:

Reordering to put work on the left:

By definition:

so that

Since the torque T is related to the angular speed (which is just N·2π) and power produced,

then the equation for MEP in terms of torque is:

Speed has dropped out of the equation, and the only variables are the torque and displacement volume. Since the range of maximum brake mean effective pressures for good engine designs is well established, we now have a displacement-independent measure of the torque-producing capacity of an engine design – a specific torque of sorts. This is useful for comparing engines of different displacements. Mean effective pressure is also useful for initial design calculations; that is, given a torque, standard MEP values can be used to estimate the required engine displacement. However, mean effective pressure does not reflect the actual pressures inside an individual combustion chamber – although the two are certainly related – and serves only as a convenient measure of performance.

Brake mean effective pressure (BMEP) is calculated from measured dynamometer torque. Net indicated mean effective pressure (IMEP_n) is calculated using the indicated power; i.e., the pressure volume integral in the work per cycle equation. Sometimes the term FMEP (friction mean effective pressure) is used as an indicator of the mean effective pressure lost to friction (or friction torque), and is just the difference between IMEP_n and BMEP.

Examples[edit]

MEP from torque and displacement

A four-stroke engine produces 160 N·m of torque, and displaces 2000 cm³=2 dm³=0.002 m³:

We also get the megapascal figure if we use cubic centimetres for :

Power from MEP and crankshaft speed

If we know the crankshaft speed, we can also determine the engine’s power output from the MEP figure:
In our example, the engine puts out 160 N·m of torque at 3600 min⁻¹:

As piston engines usually have their maximum torque at a lower rotating speed than the maximum power output, the BMEP is lower at full power (at higher rotating speed). If the same engine is rated 76 kW at 5400 min⁻¹ = 90 s⁻¹, and its BMEP is 0.844 MPa, we get the following equation:

Types of mean effective pressures[edit]

Mean effective pressure (MEP) is defined by the location measurement and method of calculation, some commonly used MEPs are given here.

• Brake mean effective pressure (BMEP) — Mean effective pressure calculated from measured brake torque.
• Gross indicated mean effective pressure (IMEP_g) — Mean effective pressure calculated from in-cylinder pressure over compression and expansion portion of engine cycle (360° in a four-stroke, 180° in a two-stroke). Direct measurement requires cylinder pressure sensing equipment.
• Net indicated mean effective pressure (IMEP_n) — Mean effective pressure calculated from in-cylinder pressure over the complete engine cycle (720° in a four-stroke, 360° in a two-stroke). Direct measurement requires cylinder pressure sensing equipment.
• Pumping mean effective pressure (PMEP) — Mean effective pressure from work moving air in and out of the cylinder, across the intake and exhaust valves. Calculated from in-cylinder pressure over intake and exhaust portions of engine cycle (360° in a four-stroke, 0° in a two-stroke). Direct measurement requires cylinder pressure sensing equipment. PMEP = IMEP_g — IMEP_n.
• Friction mean effective pressure (FMEP) — Theoretical mean effective pressure required to overcome engine friction, can be thought of as mean effective pressure lost due to friction. Friction mean effective pressure calculation requires accurate measurement of cylinder pressure and dynamometer brake torque. FMEP = IMEP_n — BMEP.

BMEP typical values[edit]

BMEP typical values^[2]

Engine type	Typical max. BMEP
Motorbike engine	1.2 MPa (174.0 lbf/in2)
Race car engine (NA Formula 1)	1.6 MPa (232.1 lbf/in2)
Passenger car engine (naturally aspirated Otto)	1.3 MPa (188.5 lbf/in2)
Passenger car engine (turbocharged Otto)	2.2 MPa (319.1 lbf/in2)
Passenger car engine (turbocharged Diesel)	2.0 MPa (290.1 lbf/in2)
Lorry engine (turbocharged Diesel)	2.4 MPa (348.1 lbf/in2)
High-speed industrial Diesel engine	2.8 MPa (406.1 lbf/in2)
Medium-speed industrial Diesel engine	2.5 MPa (362.6 lbf/in2)
Low-speed two-stroke Diesel engine	1.5 MPa (217.6 lbf/in2)

See also[edit]

• Compression ratio

Notes and references[edit]

Notes[edit]

References[edit]

External links[edit]

• Brake Mean Effective Pressure (bmep), Power and Torque, Factory Pipe
• All About Mean Effective Pressure, Harleyc.com

• Tiddler steam engine

В процессе расширения, под воздействием расширяющихся газов, поршень перемещается и тепловая (внутренняя) энергия газов преобразуется в механическую работу. Величина этой работы за один цикл определяется произведением силы давления газов на перемещение поршня, равного его ходу. Однако сила давления газов на поршень непостоянна и уменьшается в период перемещения поршня. В процессе сжатия воздуха в цилиндре перемещение поршня связано с затратой механической работы. Величина этой работы равна произведению силы давления воздуха и перемещения поршня. Причем эта сила также непостоянна и увеличивается по мере приближения поршня к мертвой
точке.

Полезная механическая работа равна разности работ расширения и сжатия. Эта работа, полученная внутри цилиндра двигателя за один
цикл, называется индикаторной работой Ai. При определении Аi используют индикаторную диаграмму, показывающую в масштабе величину давления в цилиндре при любом положении поршня; диаграмму снимают с помощью индикатора давления.

На рис. 15 представлена индикаторная диаграмма двухтактного двигателя. Заштрихованная площадь диаграмммы (в масштабе) как раз и равна индикаторной работе. Индикаторную работу можно определить следующим образом: сначала при помощи планиметра найти площадь диаграммы F мм2 И измерить длину диаграммы l мм; разделив
F на l, получим среднюю высоту h мм; площадь прямоугольника высотой h равна площади диаграммы. Так как площади равны, то и величины
работ равны. Разделив высоту h на масштаб пружины индикатора m мм2/бар, получим среднее давление на цикл.

Среднее давление в цилиндре за цикл называется средним индикаторным
давлением Pi бар (10⁵ H/m2):

При подсчете Pi четырехтактного двигателя следовало бы учитывать отрицательную площадь диаграммы, ограниченную кривыми процессов впуска и выпуска (рис. 16). Практически эта отрицательная работа, связанная с насосными потерями, не учитывается, так как величина ее очень мала. У четырехтактного двигателя рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала и среднее индикаторное давление Рi за цикл будет в два раза меньше, чем у подобного ему двухтактного двигателя. Однако для возможности сравнения четырехтактных
и двухтактных двигателей при определении Рi четырехтактного двигателя процессами впуска и выпуска пренебрегают. При расчете мощности это обстоятельство учитывается введением в знаменатель формулы коэффициента тактности z = 2. Для двухтактного двигателя z = 1.

Итак, мощность цилиндра двигателя (кВт)

При условии равенства среднего индикаторного давления всех цилиндров мощность двигателя равна (i – число цилиндров)

Учитывая, что :

и обозначив неизменную для конкретно рассматриваемого двигателя величину:

представим мощность выражением

Среднее индикаторное давление и средняя скорость поршня это основные характеристики двигателя. Среднее индикаторное давление
является показателем тепловой напряженности двигателя. Средняя скорость поршня характеризует его динамическую напряженность и является основным показателем моторесурса.

Среднее индикаторное давление составляет у дизелей (бар):

• без наддува — Рi = 5÷7
• мощных малооборотных с наддувом — Рi = 8÷12
• среднеоборотных с наддувом Рi = 15÷20
• форсированных с высоким наддувом Рi 22÷28

Средняя скорость поршня у мощных малооборотных дизелей достигает:Сm = 5÷6,8 м/с.

Средняя скорость поршня у среднеоборотных Сm = 8÷10 м/с.

Эффективная мощность двигателя, т.е. мощность, передаваемая потребителю, меньше индикаторной на величину механических потерь, при передаче мощности от цилиндра к фланцу коленчатого вала. Эти потери учитываются механическим коэффициентом полезного действия ɳм:

Произведение Piɳм = Ре носит название среднего эффективного
давления. Учитывая это, эффективную мощность (кВт) двигателя можно
выразить формулой: