1.1. Скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью

Скоростная характеристика дизеля может сниматься как без регулятора, так и с регулятором. Характеристика дизеля с топливным насосом, оснащенным всережимным регулятором, имеет два участка:

-участок от минимальной частоты вращения n_min при наибольшей внешней нагрузке до номинального режима n_H является частью скоростной характеристики дизеля, регулятор при этом не работает;

-участок от режима номинальной мощности n_H до режима холостого хода n_ХХ=1,1 n_H называется регуляторной ветвью. На этом участке регулятор уменьшает цикловую подачу топлива от полной (на номинальном режиме) до величины, необходимой лишь для преодоления внутренних потерь в дизеле.

Анализ характеристики

На рис.2.1. представлена скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью. При низкой частоте вращения коленчатого вала дизеля вследствие недостаточно качественного процесса смесеобразования (малые скорости воздуха, входящего в цилиндры, небольшая интенсивность вихрей в потоке, несоответствие скоростного режима установленным фазам распределения и угла опережения впрыска) и значительной продолжительности соприкосновения горячих газов с более холодными стенкам камеры сгорания крутящий момент и среднее эффективное давление понижены, удельный эффективный расход топлива g_e сравнительно велик. Кривые М_К и р_е обычно имеют более или менее выраженный максимум. Скоростной режим, соответствующий М_{к max}, называется режимом максимального крутящего момента и обозначается n_м. При увеличении частоты вращения от минимальной до n_м вследствие уменьшения относительной теплоотдачи в стенки цилиндра, повышения скорости сгорания и увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом крутящий момент возрастает.

Рис.2.1. Скоростная характеристика дизеля

с регуляторной ветвью

При частотах вращения, больших n_м, крутящий момент уменьшается. Минимальное значение удельного эффективного расхода топлива g_{e min} достигается при скоростном режиме наибольшей экономичности n_эк.

При увеличении частоты вращения благодаря большому количеству рабочих циклов, совершаемых в единицу времени, часовой расход топлива G_T, часовой расход воздуха G_B и эффективная мощность растут. При этом увеличение скоростного режима сопровождается ростом механических потерь, что приводит к уменьшению эффективного крутящего момента и замедлению роста эффективной мощности. Наибольшая мощность соответствует номинальному режиму n_н.

Снижение G_T, M_K, N_e при увеличении частоты вращения от n_н до n_хх связано с вступлением в работу регулятора топливного насоса.

Коэффициент избытка воздуха α на участке скоростной характеристики изменяется незначительно, а на регуляторной ветви так же, как и g_e, резко возрастает.

1.2. Скоростная характеристика двигателя с искровым зажиганием

Испытания обычно (но не обязательно) ведут при заводской регулировке системы топливоподачи и заводской установке зажигания. В том случае, когда двигатель оснащен ограничителем частоты вращения коленчатого вала, характеристики могут сниматься как с ограничителем, так и без него. Снятие серии скоростных характеристик при различных положениях дроссельной заслонки позволяет определить, как изменяются показатели двигателя в различных условиях эксплуатации автомобиля. С прикрытием дроссельной заслонки максимум мощности на каждом из скоростных режимов смещается в сторону меньших частот вращения коленчатого вала.

Анализ характеристики

Характер изменения мощностных показателей работы двигателя по скоростной характеристике рассмотрим на примере внешней характеристики.

Для четырехтактного двигателя эффективный крутящий момент определяется по формуле:

, Н м (2.1)

а эффективная мощность

, кВт (2.2)

где р_е - среднее эффективное давление,МПа;

i - количество цилиндров;

V_h - рабочий объем одного цилиндра, дм³.;

n – частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Таким образом, при прочих равных условиях, крутящий момент пропорционален величине среднего давления р_е, а эффективная мощность прямо пропорциональна произведению р_е·n. В свою очередь величина р_е зависит от среднего индикаторного давления р_i и среднего давления механических потерь p_м.

(2.3)

Рассмотрим отдельно факторы, определяющие изменение величин р_i и p_м в зависимости от скоростного режима работы двигателя

(2.4)

где A - постоянный для данного двигателя коэффициент, учитывающий тактность и рабочий объем двигателя;

Q_H - низшая теплота сгорания топлива;

L₀ - количество молей воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива;

η_м - индикаторный КПД двигателя;

η_v - коэффициент наполнения;

ρ_v- плотность воздуха, кг/м³.

Поскольку при снятии скоростной характеристики величиныипрактически остаются постоянными, то изменение величины будет зависеть лишь от изменения величин и

На рис. 2.2 показано изменение величин , и по внешней скоростной характеристике карбюраторного двигателя.

В

Рис. 2.2. Внешняя характеристика карбюраторного двигателя

еличина , характеризующая эффектвность протекания рабочего процесса в цилиндре, увеличивается с ростом скоростного режима, причем с увеличением скорости вращения вала рост постепенно замедляется. Причинами повышения являются улучшение процесса смесеобразования и уменьшение относительных потерь тепла в стенки цилиндра за время рабочего хода.

Коэффициент наполнения изменяется с ростом числа оборотов более сложным образом. Наполнение цилиндров зависит в основном от гидравлического сопротивления системы газообмена, подогрева заряда при впуске, а также от колебательных процессов, происходящих в впускной и выпускной системах. Поэтому на величину в значительной мере влияет выбор фаз открытия и закрытия клапанов.

Фазы газораспределения выбираются в зависимости от типа и назначения двигателя, так, чтобы при определенном скоростном режиме (при n_{ηv max} ) достигалось наилучшее наполнение цилиндров. Ниже этого числа оборотов, коэффициент наполнения цилиндров снижается, т.к. уменьшается дозарядка цилиндра и даже возможен обратный выброс заряда из цилиндра через клапан во впускной трубопровод. При повышении скоростного режима от n_{ηv max} наполнение уменьшается из-за увеличения гидравлических потерь в системе впуска, которые возрастают пропорционально квадрату скорости движения смеси в трубопроводе.

В

Рис. 2.3. Мощностной

баланс двигателя

результате суммарного воздействия обеих факторов (и ) при увеличении скоростного режима среднее индикаторное давление p_i сначала возрастает, достигая максимального значения при определенном числе оборотов n_{Pi max}, а затем уменьшается. Как правило, обороты, при которых достигается максимальное значение p_i несколько выше оборотов, соответствующих максимуму коэффициента наполнения (рис.2.2).

Величина среднего значения механических потерь р_м при увеличении числа оборотов двигателя возрастает по закону, близкому к линейному. При некотором числе оборотов кривые р_м и р_i, пересекаются и эффективная мощность будет равна нулю (рис. 2.3).

Это так называемое разносное число оборотов n_разн, при котором двигатель будет работать на режиме холостого хода, т.к. вся индикаторная мощность затрачивается на преодоление механических потерь.

С увеличением числа оборотов от n_min величина p_e, а, следовательно, и крутящий момент двигателя возрастают и достигают максимальных значений при определенном числе оборотов n_Mmax При дальнейшем увеличении числа оборотов величина р_е и крутящий момент M_e начинают уменьшаться, однако эффективная мощность, пропорциональная произведению Р_е·n, продолжает возрастать и достигает своего максимального значения при более высоком числе оборотов n_{Ne max} . Для транспортных двигателей значение n_{Ne max} всего составляет 0,5-0,65 n_{Mе max} .

При увеличении скорости вращения вала выше n_{Ne max} эффективная мощность двигателя будет быстро падать из-за уменьшения коэффициента наполнения и увеличения механических потерь. При числе оборотов n_разн эффективная мощность станет равна нулю. Практически двигатели при таких скоростных режимах не работают.

Рассмотрим характер изменения часового и удельного расходов топлива по внешней скоростной характеристики, для чего обратимся к выражению, связывающему часовой расход топлива с параметрами рабочего процесса двигателя

(2.5)

где C₂ - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности двигателя, физико-химические свойства и состав бензовоздушной смеси.

Как видно из формулы (2.5), при постоянном составе смеси величина часового расхода топлива в первую очередь определяется числом оборотов двигателя и коэффициентам наполнения.

При увеличении скоростного режима двигателя часовой расход топлива возрастает, однако, по мере уменьшения коэффициента наполнения, расход топлива увеличивается все в меньшей степени(рис. 2.4).

М

Рис. 2.4 График расхода топлива (удельного и часового)

инимальная величина удельного расхода топлива по внешней скоростной характеристике обычно наблюдается в зоне средних оборотов. Увеличение удельного эффективного расхода топлива с уменьшением числа оборотов объясняется возрастанием тепловых потерь, в первую очередь, обусловленных ухудшением процесса смесеобразования. С увеличением числа оборотов удельный расход топлива возрастает из-за увеличения механических потерь и соответствующего снижения η_М. Поскольку эффективный удельный расход топлива определяется по формуле

(2.6)

то на скоростных режимах работы двигателя, при которых среднее эффективное давление, а следовательно, и эффективная мощность равны нулю (n_разн), величина g_e стремится к бесконечности.

Протекание рабочих циклов карбюраторных двигателей на прикрытых дроссельных заслонках связано с понижением всех давлений цикла, уменьшением количества тепла, выделяющегося при сгорании и более медленном его протекании. Одновременно с этим при меньших нагрузках возрастают относительные величины насосных, тепловых и механических потерь.

В соответствии с этим изменяется характер скоростных характеристик, на рис. 2.5 показаны внешняя скоростная характеристика (кривая 1), три

Рис. 2.5. Скоростные характеристики карбюраторного двигателя и соответствующие им кривые мощности (Ne) и расхода топлива (g_e):

1 - дроссельная заслонка открыта на 100% (внешняя характеристика)

2 - дроссельная заслонка открыта на 60%

2 - дроссельная заслонка открыта на 40%

4 - дроссельная заслонка открыта на 20%

частичные скоростные характеристики (кривые 2, 3 и 4), т. е. мощности и соответствующие им удельные расходы топлива при открытии дроссельной заслонки на 100, 60,40 и 20%. Чем больше прикрыта дроссельная заслонка, тем ниже давления цикла и заметнее возрастает по относительной величине (т. е. в процентах) сумма ранее указанных потерь. Поэтому максимумы кривых эффективных мощностей по мере прикрытия дроссельной заслонки сдвигаются в сторону меньших чисел оборотов, а удельные расходы возрастают сильнее. Действительно, если при 100%-ном открытии дроссельной заслонки максимум кривой мощности имел место при 3000 мин^-1, то при 60% эта точка сдвигается к 2500 мин^-1, при 40% - к 1500 и 20% - к 1000 мин^-1.