平均有効圧力
平均有効圧力
一般的な記号
p
SI単位パスカル（Pa）
SI基本単位では1 kg ⋅ m −1 ⋅ s −2
他の量からの導出
p = W · V −1
寸法L−1MT−2{\displaystyle {\mathsf {L}}^{-1}{\mathsf {M}}{\mathsf {T}}^{-2}}

平均有効圧力（MEP ）は、往復動エンジンの動作に関連する量であり、エンジンの排気量とは無関係にエンジンの作業能力の尺度となる。[ 1 ]圧力の次元を持つにもかかわらず、MEPは測定できない。[ 2 ]図示平均有効圧力（IMEP ）として引用される場合、それはピストンのサイクルの様々な部分でピストンに作用する平均圧力と考えることができる。IMEPから摩擦損失を差し引くと、結果はブレーキ平均有効圧力（BMEP）となる。

導出

させて：

P{\displaystyle P}= ワット単位の出力;
p自分{\displaystyle p_{\text{me}}}= メガパスカルでの平均有効圧力
Vd{\displaystyle V_{\text{d}}}= 排気量（立方センチメートル）
私{\displaystyle i}= 1回転あたりのサイクル数（4ストロークエンジンの場合、2ストロークエンジンの場合）; [注1 ]私＝0.5{\displaystyle i=0.5}私＝1{\displaystyle i=1}
n{\displaystyle n}= 1秒あたりの回転数;
ω＝{\displaystyle \omega =}角速度、すなわち;ω＝2πn{\displaystyle \omega =2\pi n}
M{\displaystyle M}= ニュートンメートル単位のトルク。

次に、BMEP を使用して、次のようにエンジンの出力を決定できます。

P＝私⋅n⋅Vd⋅p自分{\displaystyle P=i\cdot n\cdot V_{\text{d}}\cdot p_{\text{me}}}

パワーとは次のようなものであることがわかっています。

P＝ω⋅M＝2π⋅n⋅M{\displaystyle P=\omega \cdot M=2\pi \cdot n\cdot M}

BMEP は、変位あたりのトルクを表す尺度であることがわかります。

P＝私⋅n⋅Vd⋅p自分＝2π⋅n⋅M{\displaystyle P=i\cdot n\cdot V_{\text{d}}\cdot p_{\text{me}}=2\pi \cdot n\cdot M}

したがって、トルクに関する BMEP の式は次のようになります。

p自分＝M⋅2πVd⋅私。{\displaystyle p_{\text{me}}={{M\cdot 2\pi } \over {V_{\text{d}}\cdot i}}.}

速度は方程式から外れ、唯一の変数はトルクと排気量です。優れたエンジン設計における最大ブレーキ平均有効圧力の範囲は十分に確立されているため、排気量に依存しないエンジン設計のトルク発生能力の指標、つまり比トルクのようなものが得られます。これは、排気量の異なるエンジンを比較するのに役立ちます。平均有効圧力は初期設計計算にも役立ちます。つまり、トルクが与えられれば、標準的なMEP値を使用して必要なエンジン排気量を推定できます。しかし、平均有効圧力は個々の燃焼室内の実際の圧力を反映するものではなく（両者は確かに関連していますが）、性能の便利な指標としてのみ機能します。[ 2 ]

ブレーキ平均有効圧力（BMEP）は、測定された動力計トルクから算出されます。正味図示平均有効圧力（IMEP）は、図示出力、すなわちサイクル当たりの仕事量の式における圧力容積積分を用いて算出されます。摩擦（または摩擦トルク）によって失われる平均有効圧力の指標として、摩擦平均有効圧力（FMEP）という用語が使用されることもあり、これはIMEPとBMEPの差に相当します。[ 3 ]

例

トルクと変位からのMEP

4ストロークエンジンは159 N·mのトルクを発生し、2000 cm 3の排気量を持ちます。

  • 私＝0.5{\displaystyle i=0.5}
  • M＝159北⋅メートル{\displaystyle M=159\;{\text{N}}{\cdot}{\text{m}}}
  • Vd＝2000cm3{\displaystyle V_{\text{d}}=2000\;{\text{cm}}^{3}}
p自分＝2π⋅0.5−1159北⋅メートル2000cm3＝2π⋅0.5−115900北⋅cm2000cm32≈100北⋅cm−2＝1MPa{\displaystyle p_{\text{me}}={2\pi }\cdot {0.5^{-1}}{{159\;{\text{N}}{\cdot }{\text{m}}} \over {2000\;{\text{cm}}^{3}}}={2\pi }\cdot {0.5^{-1}}{{15900\;{\text{N}}{\cancel {\cdot {\text{cm}}}}} \over {2000\;{\text{cm}}^{{\cancel {3}}2}}}\approx 100\;{\text{N}}{\cdot }{\text{cm}}^{-2}=1\;{\text{MPa}}}
MEPからの動力とクランクシャフト速度

クランクシャフトの速度がわかれば、MEP 値からエンジンの出力を決定することもできます。 この例では、エンジンは 3600 min −1 (=60 s −1 ) で 159 N·m のトルクを出力します。 P＝私⋅n⋅Vd⋅p自分{\displaystyle P=i\cdot n\cdot V_{\text{d}}\cdot p_{\text{me}}}

  • 私＝0.5{\displaystyle i=0.5}
  • n＝60s−1{\displaystyle n=60\;{\text{s}}^{-1}}
  • Vd＝2000cm3{\displaystyle V_{\text{d}}=2000\;{\text{cm}}^{3}}
  • p自分＝1MPa{\displaystyle p_{\text{me}}=1\;{\text{MPa}}}

したがって：

P＝2000cm3⋅1北⋅cm−2⋅60s−1⋅0.5＝6万北⋅メートル⋅s−1＝6万W＝60キロワット{\displaystyle P={2000\;{\text{cm}}^{3}\cdot 1\;{\text{N}}{\cdot }{\text{cm}}^{-2}\cdot 60\;{\text{s}}^{-1}\cdot 0.5}=60{,}000\;{\text{N}}{\cdot }{\text{m}}\cdot {\text{s}}^{-1}=60{,}000\;{\text{W}}=60\;{\text{kW}}}

ピストンエンジンは通常、最大トルクが最大出力よりも低い回転速度で発生するため、全出力時（回転速度が高い場合）のBMEPは低くなります。同じエンジンの定格出力が72kW、回転速度が5400 min −1 = 90 s −1で、BMEPが0.80 MPaの場合、次の式が得られます。

  • 私＝0.5{\displaystyle i=0.5}
  • n＝90s−1{\displaystyle n=90\;{\text{s}}^{-1}}
  • Vd＝2000cm3{\displaystyle V_{\text{d}}=2000\;{\text{cm}}^{3}}
  • p自分＝0.80MPa{\displaystyle p_{\text{me}}=0.80\;{\text{MPa}}}

それから：

P＝2000cm3⋅0.80北⋅cm−2⋅90s−1⋅0.5＝7万2000北⋅メートル⋅s−1＝72キロワット{\displaystyle P={2000\;{\text{cm}}^{3}\cdot 0.80\;{\text{N}}{\cdot }{\text{cm}}^{-2}\cdot 90\;{\text{s}}^{-1}\cdot 0.5}=72{,}000\;{\text{N}}{\cdot }{\text{m}}\cdot {\text{s}}^{-1}=72\;{\text{kW}}}

平均有効圧力の種類

平均有効圧力 (MEP) は、位置測定と計算方法によって定義されます。一般的に使用される MEP をいくつか以下に示します。

  • ブレーキ平均有効圧力 (BMEP、) - 測定されたブレーキトルクから計算された平均有効圧力。pメートルe{\displaystyle p_{me}}
  • 図示平均有効圧力（IMEP、） - エンジンサイクル全体（4ストロークでは720°、2ストロークでは360°）にわたるシリンダー内圧から計算された平均有効圧力。IMEPは、エンジンのpV線図の領域を測量することで決定できます。自然吸気4ストロークエンジンは、シリンダーに負荷を吸い込み、シリンダーから排気を除去するためにポンピング作業を行う必要があるため、IMEPは高圧の総平均有効圧力（GMEP、）とポンピング平均有効圧力（PMEP、）に分けられます。自然吸気エンジンではPMEPは負で、スーパーチャージャー付きエンジンやターボチャージャー付きエンジンでは通常正です。IMEPはPMEPとGMEPから導出できます。[ 3 ]pメートル私{\displaystyle p_{mi}}pメートルグラム{\displaystyle p_{mg}}pメートル私GW{\displaystyle p_{miGW}}pメートル私＝pメートルグラム−pメートル私GW{\displaystyle p_{mi}=p_{mg}-p_{miGW}}
  • 摩擦平均有効圧力（FMEP ） - エンジン摩擦を克服するために必要な理論的な平均有効圧力。摩擦によって失われる平均有効圧力と考えることができます。FMEPはエンジン回転数の上昇とともに上昇します。[ 4 ]pメートルr{\displaystyle p_{mr}}pメートルr＝pメートル私−pメートルe{\displaystyle p_{mr}=p_{mi}-p_{me}}

BMEPの典型的な値

BMEPの典型的な値[ 5 ]
エンジンタイプ 典型的な最大BMEP
バイクのエンジン 1.2 MPa (174.0 lbf/in 2 )
レースカーエンジン（NAフォーミュラ1） 1.6 MPa (232.1 lbf/in 2 )
乗用車用エンジン（自然吸気オットー） 1.3 MPa (188.5 lbf/in 2 )
乗用車用エンジン（ターボチャージャー付きオットー） 2.2 MPa (319.1 lbf/in 2 )
乗用車用エンジン（ターボチャージャー付きディーゼル） 2.0 MPa (290.1 lbf/in 2 )
トラックエンジン（ターボチャージャー付きディーゼル） 2.4 MPa (348.1 lbf/in 2 )
高速産業用ディーゼルエンジン 2.8 MPa (406.1 lbf/in 2 )
中速産業用ディーゼルエンジン 2.5 MPa (362.6 lbf/in 2 )
低速2ストロークディーゼルエンジン 1.5 MPa (217.6 lbf/in 2 )

参照

注釈と参考文献

注記

  1. ^ヴァンケルエンジンは4ストロークエンジンなので、排気量は、チャンバー容積にロータリーピストンの数を掛けて算出され。2:( Wolf-Dieter Bensinger : Rotationskolben-Verbrennungsmotoren、Springer、Berlin/Heidelberg/New York 1973、 ISBNを参照)私＝0.5{\displaystyle i=0.5}Vd{\displaystyle V_{\text{d}}}Vc{\displaystyle V_{\text{c}}}私{\displaystyle i}Vd＝2Vc私{\displaystyle V_{\text{d}}=2V_{\text{c}}i} 978-3-642-52174-4、66ページ）

参考文献

  1. ^ヘイウッド、JB、「内燃機関の基礎」、マグロウヒル社、1988年、50ページ
  2. ^ a bシュライナー、クラウス (2011-05-25)。Basiswissen Verbrennungsmotor (ドイツ語)。ヴィースバーデン: Vieweg+Teubner Verlag。 p. 41.ISBN​ 978-3-8348-1279-7。
  3. ^ a b Ulrich Spicher: Kapitel 3 · Kenngrößen – table 3.16: Effektiver Mitteldruck heutiger Motoren、Richard van Basshuysen、Fred Schäfer (eds.): Handbuch Verbrennungsmotor – Grundlagen · Komponenten · Systeme · Perspektiven、第 8 版、Springer、ヴィースバーデン2017、ISBN 978-3-658-10901-1、DOI 10.1007/978-3-658-10902-8_3、p. 24
  4. ^ Ulrich Spicher: Kapitel 3 · Kenngrößen – table 3.16: Effektiver Mitteldruck heutiger Motoren、Richard van Basshuysen、Fred Schäfer (eds.): Handbuch Verbrennungsmotor – Grundlagen · Komponenten · Systeme · Perspektiven、第 8 版、Springer、ヴィースバーデン2017、ISBN 978-3-658-10901-1、DOI 10.1007/978-3-658-10902-8_3、p. 26、式 3.48
  5. ^ Ulrich Spicher: Kapitel 3 · Kenngrößen – table 3.16: Effektiver Mitteldruck heutiger Motoren、Richard van Basshuysen、Fred Schäfer (eds.): Handbuch Verbrennungsmotor – Grundlagen · Komponenten · Systeme · Perspektiven、第 8 版、Springer、ヴィースバーデン2017、ISBN 978-3-658-10901-1、DOI 10.1007/978-3-658-10902-8_3、p. 27
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