4.4 Основные технические характеристики двигателя. Мощностные характеристики двигателя


Основные характеристики двигателя

К основным техническим характеристикам трехфазного асинхронного электрического двигателя относятся:

-мощность на валу или полезная мощность;

-частота вращения;

-коэффициент полезного действия;

-коэффициент мощности;

-скольжение;

-отношение пускового и номинального моментов;

-перегрузочная способность.

Есть и другие важные характеристики, которые определяются стандартами и устанавливают показатели надежности при эксплуатации у потребителя.

Задачей расчета асинхронного двигателя является определение главных размеров и обмоточных данных по заданной полезной мощности на валу. По результатам расчета определяются рабочие характеристики двигателя. Это зависимость потребляемого тока, подводимой мощности, кпд, коэф-та мощности и скольжения от мощности на валу. Соответствие рабочих характеристик расчетам подтверждается испытаниями.

Для двигателей одного габарита справедливо выражение:

D2 • l • n / Р = Соnst

Здесь Р – расчетная, более высокая чем номинальная, мощность ( с учетом к.п.д. и коэф-та мощности). Очевидно, что для увеличения мощности на валу двигателя необходимо увеличивать D или l или n. В пределах одного габарита, при неизменной n, как правило, изменяют только l.

Длина l на практике ограничена рядом условий, например, длиной корпуса статора, длиной вала, условиями транспортировки и монтажа. В этом случае проблема повышения мощности двигателя (в одном габарите) решается путем разработки секционного двигателя.

Погружной секционный электродвигатель состоит из двух или трех секций, соединенных между собой узлом секционирования. Головка электродвигателя установлена на верхней секции, а основание – на нижней. Узел секционирования обеспечивает механическое соединение валов и электрическое соединение обмоток секций электродвигателей.

Кпд двигателя характеризует уровень потерь и определяется выражением:

( Р1Н - ∑ Р потерь) / Р1Н

Здесь Р1Н – подводимая к двигателю активная электрическая мощность, кВт при номинальной нагрузке;

∑Р потерь = Р стали + Р механич. + Р меди статора + Р меди ротора + Р добавочные также при номинальной нагрузке.

Указанные потери взаимно связаны. Каждая из указанных потерь определяется расчетом, и в последующем проверяется при испытаниях двигателя. Оптимальное соотношение между величинами потерь будет означать максимум кпд.

Важной характеристикой асинхронного двигателя является вращающий момент. Он создается благодаря действию сил, о которых было сказано выше. Зависимость вращающего момента от скольжения называется моментной характеристикой и имеет вид. Устойчивая работа двигателя возможна лишь при скольжении, которому соответствует возрастание вращающего момента, например при скольжении sА и вращающем моменте МА. При скольжении sВ и моменте МВ частота вращения двигателя станет уменьшаться и может дойти до нуля. Характерной точкой на кривой момента является s критич. До этой точки увеличение момента возможно. Но в точке Мкр произойдет так называемое «опрокидывание» момента и двигатель остановится. Момент, соответствующий номинальному скольжению, называется номинальным моментом. Для погружных двигателей отношение максимального момента к номинальному нормировано и составляет не менее 2.

Рассмотрим режим пуска. При пуске асинхронного двигателя вращающееся магнитное поле пересекает обмотку ротора с более высокой скоростью, чем при работе двигателя, так как в начале пуска ротор неподвижен. Вследствие этого в обмотке ротора наводится большая по сравнению с номинальной электродвижущая сила, а значит по обмотке ротора проходит и больший ток. Поэтому пусковой момент, прямо пропорциональный величине тока, больше номинального момента. Для погружных двигателей отношение пускового момента к номинальному моменту также нормировано и должно быть не менее 2. Увеличение тока в обмотке ротора вызывает соответствующее увеличение тока в обмотке статора - согласно закону сохранения энергии. Пусковой ток обмотки статора в 5-7 раз превышает номинальный. Норма на величину пускового тока не устанавливается, а характер зависимости пускового тока статора от скольжения приведен на графике.

С целью снижения пусковых токов мощных двигателей применяется пуск на пониженной частоте питающей сети, от станции управления с частотным преобразователем.

Двигатели мощностью до 160 кВт допускают прямой пуск от номинального напряжения и частоты; от160 до 250 кВт – при плавном регулировании напряжения, начиная от 50% от номинального; свыше 250 кВт – с помощью частотного преобразователя.

studfiles.net

Технико-экономические показатели работы двигателей | Двигатель автомобиля

Как известно, мощность — это работа, совершенная в единицу времени. Кроме эффективной мощности для оценки технико-экономической эффективности двигателей используют индикаторную мощность Ni.

Индикаторная мощность — это мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя.

Эффективная мощность меньше индикаторной вследствие того, что часть последней затрачивается на преодоление механических потерь в двигателе:

Ne = Ni—Nm

Мощность механических потерь Nm учитывает затраты части индикаторной мощности на преодоление сопротивлений трения движущихся деталей и приведение в действие вспомогательных устройств двигателя — масляного и водяного насосов, вентилятора, генератора, топливного насоса и др.

Механический коэффициент полезного действия двигателя (КПД) — отношение эффективной мощности к индикаторной:

nm = Ne/Ni

При работе на номинальном режиме, т. е. при полном использовании мощности Ne, КПД автотракторных двигателей составляет 0,75…0,88. У дизелей КПД меньше, чем у карбюраторных двигателей, так как из-за более высокой степени сжатия выше затраты мощности на трение движущихся деталей.Массу топлива, расходуемую двигателем при определенной загрузке в течение 1 ч, называют часовым расходом топлива GT (кг/ч). Топливную экономичность различных двигателей оценивают по удельному расходу топлива ge (г/(кВт-ч)), под которым подразумевают массу топлива в граммах, расходуемую за 1 ч на создание единицы эффективной мощности:

ge = 1000GT / е

Номинальное значение ge современных автотракторных четырехтактных карбюраторных двигателей находится в пределах 280…300 г/(кВт-ч), а у дизелей — в пределах 220…260 г/(кВт-ч), т. е. дизели более экономичные, чем карбюраторные двигатели, за счет более высокой степени сжатия. Чем выше степень сжатия, тем экономичнее двигатель.

Применение на ряде современных бензиновых двигателей вместо карбюратора системы с впрыском топлива во всасывающий коллектор или непосредственно в цилиндр обеспечивает снижение ge по сравнению с карбюраторными двигателями. Наименее экономичными являются двухтактные двигатели, так как у них цилиндры продуваются горючей смесью, из-за чего часть ее уходит с отработавшими газами. Кроме того, их цилиндры хуже очищаются от продуктов сгорания.

Эффективность работы различных двигателей сравнивают не только по топливной экономичности, но и по литровой мощности и удельной массе.

Литровая мощность Nл — это отношение эффективной мощности Ne к рабочему объему двигателя, показывающее, насколько эффективно используется рабочий объем. Чем больше литровая мощность при других равных условиях, тем меньше габаритные размеры и масса двигателя. У тракторных дизелей Nл = 11…20 кВт/л.

Современная тенденция развития автотракторных двигателей характеризуется увеличением их полной эффективной и литровой мощностей, снижением удельного расхода топлива и масел, уменьшением металлоемкости и токсичности выбросов отработавших газов, повышением надежности и долговечности. Этим объясняется широкое применение дизелей с турбонаддувом, имеющим промежуточное охлаждение воздуха, поступающего в цилиндры, для повышения наполнения их воздухом. Многие зарубежные бензиновые двигатели вместо карбюраторов оснащают системой впрыска топлива, работающей в автоматическом режиме совместно с системой зажигания, что обеспечивает оптимальный режим работы обеих систем, повышение мощности и снижение расхода топлива, а также уменьшение токсичности выбросов отработавших газов. Такие «инжекторные» двигатели устанавливают и на некоторых отечественных легковых автомобилях.

Технико-экономические показатели двигателей определяют на специальных обкаточно-тормозных стендах, на которых замеряют загрузку двигателя и частоту вращения его коленчатого вала. По загрузке (показанию силоизмерительного механизма) определяют вращающий момент двигателя Мвр (Нм) как произведение силы на плечо ее приложения относительно оси вращения коленчатого вала. Частоту вращения этого вала n (мин-1) замеряют тахометром. Эффективную мощность двигателя рассчитывают по формуле:

N = Mвр*n / 9550

Технико-экономические показатели при различных режимах работы (частоте вращения и нагрузке) оценивают по характеристикам. Характеристики — это графические выражения зависимости одного или нескольких показателей работы двигателя от другого независимого показателя. Характеристики строят по результатам испытаний двигателя на тормозном стенде.

Наиболее эффективно двигатель работает на режиме максимальной мощности. Частоту вращения коленчатого вала и вращающий момент двигателя на этом режиме называют номинальными. Недогрузка двигателя существенно влияет на производительность и топливную экономичность тракторов и автомобилей. Так, удельный расход топлива интенсивно растет при уменьшении Ne от максимального значения до нуля.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Технические характеристики двигателя

О любом двигателе можно получить представление, зная набор определенных технических параметров.

Диаметр цилиндра. Имеется в виду внутренний диаметр цилиндра. Обычно измеряется в нескольких точках и рассчитывается как среднее арифметическое из полученных данных.

Ход поршня — это расстояние, которое поршень проходит от ВМТ до НМТ. Равняется также удвоенному радиусу кривошипа.

ПримечаниеОбычно при описании технических характеристик двигателя диаметр цилиндра и ход поршня записываются вместе, через знак «х», например 95 х 85 мм. Если ход поршня превышает диаметр цилиндра, двигатель называют длинноходным, если наоборот – короткоходным.

Рисунок 4.4 Ход поршня.

Радиус кривошипа – это расстояние, на которое шатунная шейка (та, к которой крепится шатун) отведена от оси коренной шейки коленчатого вала, как показано на рисунке 4.4.

Рабочий объем двигателя – объем пространства, заключенный между ВМТ и НМТ поршня, умноженный на количество цилиндров. Измеряется в сантиметрах кубических (см3) или литрах (л). А объем, который находится над поршнем, когда тот установлен в ВМТ, называется объемом камеры сгорания. Сумма объема камеры сгорания и рабочего объема называется полным объемом. Обычно в характеристиках полный объем не приводится, однако используется для получения такого немаловажного параметра, как степень сжатия.

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Данный параметр характеризует то, во сколько раз сжимается топливовоздушная смесь в цилиндре. Записывается обычно в виде соотношения, например, 14:1 – в данном случае имеется в виду, что камера сгорания по объему в 14 раз меньше полного объема. Степень сжатия влияет на эффективность и мощность двигателя: чем выше, тем эффективнее, но есть и ограничения, ввиду особенностей используемого топлива (смотрите ниже в разделе «Система питания современных двигателей»).

ПримечаниеЕсли двигатель бензиновый, то бесконечно увеличивать степень сжатия нельзя, так как вместе с этим увеличивается вероятность детонации топливовоздушной смеси и, как следствие, происходит выход из строя всего двигателя. Подробнее о детонации будет рассказано ниже.

Рядность – обозначение взаимного расположения цилиндров. Двигатель может быть рядным, V-образным, W-образным.

Рисунок 4.5 Различные варианты взаимного расположения цилиндров.

Порядок работы. Если в двигателе больше двух цилиндров, то для более равномерной и сбалансированной работы агрегата необходимо, чтобы рабочий ход в каждом из цилиндров реализовывался не одновременно, а в определенной последовательности, при этом очередность определяется, в основном, количеством цилиндров.

ПримечаниеДля ДВС с одинаковым количеством цилиндров может быть несколько вариантов порядка работы.

Так, например, самый распространенный порядок работы четырехцилиндрового двигателя: 1 – 3 – 4 – 2. Такая запись говорит о том, что сначала рабочий ход будет совершать поршень первого цилиндра, затем третьего, четвертого и второго, соответственно.

Для примера опишем работу четырехцилиндрового рядного двигателя.

Рисунок 4.6 Схематическое изображение четырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателя.

В четырехтактном четырехцилиндровом рядном двигателе (показан на рисунке 4.6) кривошипы коленчатого вала расположены в одной плоскости: два крайних кривошипа 1-й и 4-й под углом 180° к двум средним — 2-му и 3-му. При вращении вала поршни первого и четвертого, а также второго и третьего цилиндров попарно движутся в одном направлении. Когда поршни первого и четвертого цилиндров приходят в НМТ, поршни второго и третьего цилиндров находятся в ВМТ, и наоборот. В каждом из цилиндров рабочий цикл завершается за два оборота коленчатого вала, а чередование тактов подобрано таким образом, что одновременно во всех цилиндрах происходят разные такты. Этим обеспечивается равномерность вращения вала.

Предположим, что при первом полуобороте вала (от 0 до 180°) в первом цилиндре поршень идет от ВМТ до НМТ и в нем происходит рабочий ход. Тогда в четвертом цилиндре поршень также движется к НМТ, но происходит впуск горючей смеси. Во втором и третьем цилиндрах поршни движутся к ВМТ, при этом в третьем цилиндре идет сжатие рабочей смеси, а во втором — выпуск отработавших газов.

ПримечаниеМоменты открытия и закрытия клапанов регулируются распределительным валом (подробнее рассмотрено ниже).

В течение дальнейших трех полуоборотов коленчатого вала в каждом из цилиндров такты будут следовать в обычной для четырехтактного процесса очередности.

К тому времени, когда вал закончит четвертый полуоборот, во всех цилиндрах произойдут все такты рабочего цикла. При дальнейшем вращении вала такты будут повторяться в той же последовательности.

При работе четырехтактного четырехцилиндрового двигателя на каждый полуоборот коленчатого вала приходится один рабочий ход, причем рабочие ходы чередуются не в порядке расположения цилиндров, а в другой последовательности. Сначала рабочий ход происходит в первом цилиндре, затем в третьем, далее в четвертом и, наконец, во втором, т. е. рабочие ходы чередуются в порядке 1 — 3 — 4 — 2. Этот порядок чередования рабочих ходов по цилиндрам называется порядком работы двигателя.

Рисунок 4.7 Полуобороты коленчатого вала.

При одной и той же форме расположения кривошипов вала, но при другом порядке открытия и закрытия клапанов, что зависит от конструкции механизма газораспределения, четырехцилиндровый двигатель может иметь другую последовательность чередования тактов и другой порядок работы. Если при первом полуобороте вала в третьем цилиндре будет происходить такт выпуска, а во втором — такт сжатия, то чередование тактов в двигателе изменится, и получится порядок работы 1 — 2 — 4 — 3.

Полуоборотыколенчатого вала Углы поворота коленчатоговала, град Цилиндры
1-й 2-й 3-й 4-й
1-й 0 – 180 Рабочий ход Выпуск Сжатие Впуск
2-й 180 – 360 Выпуск Впуск Рабочий ход Сжатие
3-й 360 – 540 Впуск Сжатие Выпуск Рабочий ход
4-й 540 – 720 Сжатие Рабочий ход Впуск Выпуск

Компрессия в цилиндре – максимальное давление, создаваемое в цилиндре при сжатии воздуха поршнем. Зачастую измеряется в барах или кг/см2. Часто степень сжатия путают с компрессией. Однако надо всегда помнить, что степень сжатия — параметр исключительно геометрический, в отличие от компрессии.

Мощность двигателя – работа двигателя, совершаемая в единицу времени, измеряется в лошадиных силах (л. с.) или киловаттах (кВт). Проще говоря, мощность — это параметр, который описывает, как быстро может вращаться коленчатый вал двигателя. Чтобы лучше понять, представьте, что вы велосипедист, а мощность — это характеристика, описывающая, как быстро вы можете крутить педали.

Крутящий момент – произведение силы на плечо. В случае двигателя внутреннего сгорания — это тяга, создаваемая на коленчатом валу, иначе говоря — сила, с которой поршень давит через шатун на шатунную шейку коленчатого вала, умноженная на радиус кривошипа (смотрите выше). Чтобы было понятней, вернемся к велосипедисту. Величина тяги на оси педалей зависит как от длины педали (плеча), так и от силы, с которой велосипедист давит на эту педаль. Измеряется крутящий момент в Ньютон на метр (Н·м).

monolith.in.ua