Рис. 6. Индикаторная диаграмма ДВС
Индикаторная диаграмма даёт представление о значении работы, производимой двигателем внутреннего сгорания или насосом, и об их мощности. Рабочее тело совершает полезную работу только в течение рабочего хода. Поэтому для определения полезной работы необходимо из площади, ограниченной кривой расширения Zb, вычесть площадь, ограниченную кривой сжатия ac. Различают теоретическую и действительную индикаторную диаграмму Теоретическая строится по данным теплового расчёта и характеризует теоретический цикл; действительная индикаторная диаграмма снимается с работающей машины при помощи индикатора и характеризует действительный цикл.
Для удобства ведения расчётов и сопоставления между собой разных двигателей переменные по ходу поршня давления заменяются условным постоянным давлением, при котором за один ход поршня получается работа, равная работе газов за цикл с переменным давлением. Это постоянное давление называется средним индикаторным давлением и представляет собой работу газов, отнесённую к рабочему объёму поршневой машины.
Под средним индикаторным давлением Pi 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 – отношение индикаторной работы газов за цикл Li к единице рабочего объема цилиндра
Vц, т.е. Pi=Li/Vц. (6)
При наличии индикаторной диаграммы, снятой с двигателя (рис. 6), среднее индикаторное давление можно определить по высоте прямоугольника, построенного на основании Vц, площадь которого равна полезной площади индикаторной диаграммы, представляющей собой в некотором масштабе индикаторную работу Li. Определив с помощью планиметра полезную площадь F индикаторной диаграммы (м2) и длину R индикаторной диаграммы (м), соответствующую рабочему объему цилиндра, находят значение среднего индикаторного давления Pi=F•m/R, где m – масштаб давления индикаторной диаграммы, Па/м. Средние индикаторные давления при номинальной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателей 0.8 – 1.2 МПа, у четырехтактных дизелей 0.7 – 1.1 МПа, у двухтактных дизелей 0.6 – 0.9 МПа. Индикаторной мощностью Ni называют работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени. Индикаторная работа (Дж), совершаемая газами в одном цилиндре за один рабочий цикл, Li=Pi ·Vц. Так как число рабочих циклов, совершаемых двигателем в секунду, равно 2n/T, то индикаторная мощность (кВт) одного цилиндра
Ni= (2/T) · Li ·n ·10-3 (кВт) = (2/T) ·Pi ·Vц ·n ·10-3 (кВт), (7)
где n частота вращения коленчатого вала, 1/с, T – тактность двигателя – число тактов за цикл (T=4 для четырехтактных двигателей и T=2 для двухтактных). Работа за цикл определяется в джоулях. Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя при числе цилиндров z :
Ni = (2/T) ·Pi ·Vц ·n ·z ·10-3 (кВт), (8)
Примечание: Если в расчётах работу определять в килоджоулях (кДж), то множитель 10-3 в формулах (7) и (8) надо опустить. Эффективной мощностью Ne называют мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы. Эффективная мощность меньше индикаторной Ni на величину мощности механических потерь
Nм, т.е. Ne=Ni – Nм. (9)
Мощность механических потерь затрачивается на трение при приведении в действие кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения, вентилятора, жидкостного, масляного и топливного насосов, генератора тока и других вспомогательных механизмов и приборов. Механические потери в двигателе оцениваются механическим КПД ηм, которое представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т.е.
ηм = Ne/Ni= ( Ni-Nм) /Ni = 1- (Nм/Ni). (10)
Для современных двигателей механический КПД составляет 0.72 – 0.9. Зная величину механического КПД можно определить эффективную мощность
Ne = ηм ·Ni. (11)
Аналогично индикаторной мощности определяют мощность механических потерь
Nм= (2/T)·Pм ·Vц·n·z·10-3, (12)
где Pm – среднее давление механических потерь, т.е. часть среднего индикаторного давления, которая расходуется на преодоление трения и на привод вспомогательных механизмов и приборов. Согласно экспериментальным данным для дизелей