1.2. Нагрузочная характеристика двигателя

с искровым зажиганием

Нагрузочные характеристики двигателя с искровым зажиганием существенно отличаются от аналогичных характеристик дизеля из-за иных принципов смесеобразования и регулирования подачи топлива.

С прикрытием дроссельной заслонки увеличивается относительное количество остаточных газов в цилиндре, свежего заряда поступает меньше. Вследствие этого ухудшаются условия протекания рабочего процесса, снижаются мощность и экономичность двигателя. При нагрузках болee 75% от номинальной (максимальной) может включаться экономайзер, обогащая смесь, которую подготавливает система топливоподачи. Это сопровождается ростом мощности при ухудшении экономичности, т.е. увеличивается удельный эффективный расход топлива. Если же система и топливоподачи на больших нагрузках не обогащает смесь, что имеет место у многих современных автомобильных двигателей, то наименьший удельный расход топлива наблюдается при полностью открытой дроссельной заслонке.

При изменении степени открытия дроссельной заслонки часовые расходы воздуха, топлива и коэффициент наполнения также изменяются, чем. достигается количественное регулирование мощности двигателя. Наибольшей мощности двигателя соответствует полное открытие дроссельной заслонки.

Анализ характеристики

С увеличением внешней нагрузки для сохранения постоянной частоты вращения дроссельную заслонку открывают, вследствие чего расход воздуха возрастает и коэффициент наполнения η_V увеличивается от 0,25 на режиме холостого хода до 0,85 при полной нагрузке рис. 3.3.

Коэффициент избытка воздуха α изменяется в небольших пределах: от 0,70 на холостом ходу до 0,94 на средних нагрузках и до 0,90 на полной нагрузке.

Часовой расход топливаG_T возрастает с открытием дроссельной заслонки. Характер его изменения определяется соотношением:

G_Т = А(η_V/ α),

где А - обобщенное значение не зависящих от нагрузки параметров двигателя. До средних значений нагрузки зависимость G_T = f(p_e) практически линейна. С дальнейшим увеличением нагрузки при обогащении смеси эконостатом и (или) экономайзером темп роста G_T увеличивается.

П

Рис. 3.3. Нагрузочная характеристика бензинового двигателя

оскольку при постоянной частоте вращения эффективная мощность двигателя пропорциональнар_е, то на характеристике график мощности выглядит как прямая линия.

Анализировать характер изменения удельного эффективного расхода топлива g_e от нагрузки (М_К, р_е) позволяют функциональные зависимости, связывающие между собой различные параметры двигателя:

(3.1)

где η_i;, η_е, η_м - соответственно индикаторный, эффективный и механический коэффициенты полезного действия; р_i;, р_м - соответственно среднее индикаторное давление и среднее давление механических потерь, МПа;

Н_u - низшая удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг.

На механический КПД основное влияние оказывает p_i; так как р_м от нагрузки при n=const практически не зависит. Характер зависимости η_i и η_м от нагрузки (p_е) показан на рис. 3.4. Индикаторный КПД имеет максимум на средних нагрузках, т.е. на режиме наибольшей экономичности. При меньших и больших нагрузках η_i снижается из-за неполноты сгорания топлива. Соответственно изменяются эффективный КПД η_е, а следовательно, и g_e, минимум которого у исследуемого двигателя имеет место при р_е=0,78 МПа и α = 0,93 (см. рис. 3.3) Характер изменения кривой g_e=f(р_е) свидетельствует о существенном недостатке количественного регулирования: наименьший удельный расход топлива наблюдается только в узком

Рис. 3.4. Изменение КПД двигателя с искровым зажиганием в зависимости от нагрузки

диапазоне нагрузки. На большей части нагрузочных режимов, типичных для эксплуатационных условий, удельный расход топлива g_e сравнительно высокий.

Влияние условий окружающей среды на работу двигателя

Атмосферное давление. Существенное снижение атмосферного давления (например, работа на большой высоте над уровнем моря) приводит к снижению плотности воздуха ρ_в и как следствие - уменьшению коэффициента наполнения η_V и коэффициента избытка воздуха α, что приводит к уменьшению среднего эффективного давления и снижению мощности двигателя. Уменьшение α приводит к повышению расхода топлива, так как для обеспечения необходимой мощности двигатель начинает работать на более богатых смесях.

Температура окружающего воздуха. Повышение температуры окружающей среды Т₀, как и понижение атмосферного давления приводит к снижению плотности воздуха ρ_в, уменьшению коэффициента наполнения η_V (снижению плотности свежего заряда), коэффициента избыт­ка воздуха α, но в меньшей степени.

При повышении Т₀, возрастают все характерные температуры цикла и тепловые нагрузки. Вследствие чего увеличиваются абсолютные и относительные потери теплоты в среду охлаждения. Это, а также снижение термического КПД вместе с уменьшением избытка воздуха α снижает КПД цикла, что в свою очередь приводит к снижению мощности двигателя и увеличению расхода топлива.

Современные дизельные двигатели с регулируемым турбонаддувов и бензиновые с впрыском топлива мене подвержены влиянию атмосферных условий.

Порядок выполнения работы

1. Проверить состояние установки, запустить и прогреть двигатель до температуры масла 60 ^оС.

2. Установить заданную частоту вращения без нагрузки (Мк = 0) и, сделав соответствующую выдержку для достижения стабильного значения, температуры t_Ж2, выполнить замеры следующих величин:

• частота вращения коленчатого вала - n,

• усилие на тормозе - М_К,

• часовой расход топлива - G_T ( время расхода порции топлива - τ_T ). Данные занести в протокол испытаний.

3 Последующие нагрузочные режимы устанавливаются увеличением открытия дроссельной заслонки; постоянство частоты вращения поддерживается тормозом(Р = 10 кгс, 20, 30, 40). После выдержки на каждом режиме проводить замеры в соответствии с п. 2. Количество опытов должно быть не менее 8. Последний режим соответствует полному открытию дроссельной заслонки.

4. Перевести двигатель на режим холостого хода и через 2...3 мин остановить его, выключив зажигание.

5 Выполнить необходимые расчеты и построить графики зависимости G_T, g_e, η_е от нагрузки.

Обработка результатов испытаний

Первичным документом для обработки данных испытаний двигателя является протокол испытаний. В протокол заносятся непосредственные замеры, а также расчетные величины.

Ниже приводятся формулы в последовательности, наиболее целесообразной для определения по опытным данным основных показателей работы двигателя.

Эффективный крутящий момент, Н м

(3.2)

где Р - усилие на рычаге тормоза, Н;

l - длина тарировочного рычага тормоза, м, определяемая от оси вала тормоза до призмы весового устройства.

Для тормоза СТЭУ-40-1000 l = 0,7162 м.

Эффективная мощность двигателя, кВт

(3.3)

где n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1;

i - передаточное отношение коробки передач;

η_П - КПД коробки передач (η_П = 0,95%).

Часовой расход топлива, кг/ч

(3.4)

где G’ - вес израсходованной порции топлива, г;

τ - время расхода порции топлива, с.

Удельный расход топлива, г/кВт ч

(3.5)

Эффективный КПД

(3.6)

где 3600- тепловой эквивалент мощности;

g_e - удельный расход топлива, г/кВт ч

H_u - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Для бензина H_u = 44,0 МДж/кг, для дизельного топлива H_u = 42,5 МДж/кг

Погрешности измерений

При измерении какой-либо величины не представляется возможным получить абсолютно свободный от искажения результат. Причины этих искажений различны: несовершенство средств и методов измерения, непостоянство условий измерения и ряд других факторов.

Искажениями обусловлена так называемая погрешность измерения -отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. В задачу измерения всегда входит не только нахождение самой величины, но и оценка допущенной при измерении погрешности.

Погрешности измерений по способу их числового выражения разделяют на абсолютные, выраженные в единицах измеряемой величины, и относительные, выраженные в процентах или долях этой величины.

Абсолютная погрешность

ΔА = Ах - А, (3.8)

Относительная погрешность,%

(3.9)

где ΔА - абсолютная погрешность измерения;

Δ - относительная погрешность измерения;

А_Х - измеренное значение величины;

А - истинное ее значение

Относительная максимальная погрешность измерения эффективной мощности, %, определяется по формуле:

, (3.10)

где ΔN_e, Δp, Δl, и Δn -абсолютные погрешности измерений соответственно, эффективной мощности, усилия на рычаге тормоза, длинны рычаги и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Относительная максимальная погрешность измерения часового расхода топлива

(3.11)

где ΔG_T, ΔG’, и Δτ -абсолютные погрешности измерений соответственно, часового расхода топлива, веса израсходованной порции топлива и времени расхода порции топлива.

Приведение мощности двигателя к стандартным условиям

Для сравнения полученного результата с паспортными данными двигателя, результаты измерений необходимо привести к нормальным условиям в соответствии с ГОСТ 14846-81 (Т₀ = 298 ^оK, В₀ = 100 КПа)

, кВт (3.12)

где (1.13)

N₀ - мощность двигателя, приведенная к нормальным условиям, кВт;

N - мощность, полученная в результате измерений кВт;

K_Ч - поправочный коэффициент;

В₀ - атмосферное давление для нормальных условий, кПа (В₀ = 100 КПа)

В - атмосферное давление в лаборатории, КПа;

В_ВП = φ·Р_S - давление водяных паров, КПа;

φ - относительная влажность воздуха в лаборатории,%;

P_S - давление насыщенного водяного пара, кПа (определяется по номограмме. Приложения 1.).

Т₀ - температура воздуха для нормальных условий, ^оK (Т₀ = 298 ^оK)

Т - температура воздуха в лаборатории, ^оK

Содержание отчета

1. Тема работы и задание.

2. Краткое изложение методики проведения опытов.

3. Протокол испытаний.

4. Результаты подсчетов параметров работы двигателя.

5. Графики зависимости часового и удельного расхода топлива, эффективного КПД, от нагрузки двигателя.

6. Погрешность измерений мощности и расхода топлива.

7. Приведение мощности двигателя к стандартным условиям.

8. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Какой параметр характеризует нагрузку двигателя?

2. На каком режиме снимается нагрузочная характеристика?

3. Как поддерживается постоянная частота вращения на различных нагрузках двигателя?

4. Чему равна эффективная мощность двигателя Ne на холостом ходу без внешней нагрузки?

5. При какой нагрузке эффективный КПД имеет максимальное значение?

6. Как меняется эффективный КПД при увеличении нагрузки выше номинальной?

7. С какой целью снимаются нагрузочные характеристики?

8. Какое влияние оказывает атмосферное давление на мощностные и экономические показатели двигателя ( g_e, Ne)?

9. Какое влияние оказывает температура окружающей среды на процессы смесеобразования в двигателе (α, η_V)?

Приложение 1.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ

Министерство образования РФ

«_____»___________________200___г.

Пермский государственный технический университет

Кафедра "Автомобили и автомобильное хозяйство"

Характеристика двигателя__________________________________________________________________________________

Топливо _________________________________

Условия окружающей среды: атмосферное давление Р0 ___ кПа, температура воздуха t ___ 0С относительная влажность воздуха φ ___%

№№ опыта

Частота вращения генератора, мин-1

Передаточное отношение

Частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1

Показания тормоза, кгс

Крутящий момент, Н·м

Порция топлива, г

Время расхода топлива, сек.

Часовой расход топлива, кг/час

Удельный расход топлива, г/кВт ч.

Эффективная мощность, кВт

Эффективная мощность в стандартных условиях, кВт.

Эффективный КПД

5