3.2. Характеристики двигателей

Между параметрами двигателя в установившемся режиме существуют определенные функциональные зависимости. На практике наиболее информативны и представляют наибольший интерес взаимосвязи мощностных, топливно-экономических и скоростных показателей двигателя.

Характеристиками двигателя называются зависимости основных показателей его работы (мощности, крутящего момента, расхода топлива и т. д.) от одного из режимных параметров, чаще всего частоты вращения коленчатого вала (угловой скорости вращения коленчатого вала), нагрузки (мощности, момента, среднего эффективного давления) и др.

В зависимости от того параметра, который взят в качестве независимого переменного, различают характеристики:

скоростные – независимые переменные n,  или С_п;

нагрузочные – независимые переменные N_e, р_е или M_e;

регулировочные – независимые переменные: угол опережения зажигания (двигатели с принудительным зажиганием – ДПЗ) или угол опережения подачи топлива (дизели); по составу смеси – независимый параметр – коэффициент избытка воздуха ;

механических потерь двигателя;

токсичности – зависимость содержания отдельных токсичных составляющих от режима работы двигателя (N_e, P_e или n);

комбинированные – зависимость эффективной мощности N_e и удельного расхода топлива от среднего эффективного давления и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Существует еще ряд специальных характеристик двигателей: регуляторные, холостого хода и т. д., но на практике чаще всего используются перечисленные характеристики.

При проведении научно-исследовательских и доводочных работ, а также в учебном процессе для исследования характера рабочего процесса двигателя снимается индикаторная диаграмма (кривая), представляющая собой зависимость изменения давления газов в цилиндре в функции угла поворота коленчатого вала. По индикаторной диаграмме можно определить, насколько качественно осуществляется рабочий процесс двигателя, получить ряд важнейших его показателей: максимальное давление цикла P_z, угол, соответствующий _Pz, среднее индикаторное давление, скорость нарастания давления и т. д. При наличии сигнала от датчика, фиксирующего момент начала зажигания (впрыска топлива), можно определить угол опережения зажигания (впрыска топлива), длительность задержки воспламенения и т. д.

Для анализа характеристик двигателя целесообразно рассмотреть взаимосвязь его основных параметров. Мощность двигателя можно определить следующим образом:

N_e = C₁·M_e·n, (3)

где С₁ = /3 10⁴ = 1/9550; N_e – эффективная мощность, кВт;

M_e = M_д – крутящий момент двигателя, Нм;

n – частота вращения, мин^1.

Поскольку

M_e = C₂·P_e, (4)

где Р_e – среднее эффективное давление, МПа;

С₂ = 10³V_л/ – постоянная величина для конкретного двигателя, л;

V_л = V_h · i – литраж двигателя, л (дм³);

V_h – рабочий объем цилиндра, л (дм³);

i – число цилиндров;

 – коэффициент тактности, равный для 4-тактного двигателя 4,

для 2-тактного – 2, то взаимосвязь N_e с Р_e будет следующей:

N_e = C₃ P_e n, (5)

где C₃ = C₁ C₂ = V_л/30  .

Учитывая тот факт, что P_e= P_i _м, а

P_i = С₄ (_i/) _v, (6)

где C₄ = H_u _к/l₀ – постоянная величина;

P_i – среднее индикаторное давление, МПа;

H_u – низшая теплота сгорания, МДж/кг топл.;

l₀ – теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кг/кг топл.;

_v – коэффициент наполнения;

_к – плотность воздуха, кг/м³;

_i – индикаторный КПД;

  коэффициент избытка воздуха,

можно окончательно установить взаимосвязь M_e и N_e с основными параметрами рабочего процесса двигателя:

M_e = C₅ (_i/) _v _м _к, (7)

N_e = C₆ (_i/) _v _м _к n, (8)

где C₅ = (30 V_л)/(10³  )(H_u/l₀) и C₆ = (V_л/30 )(H_u/l₀).

При рассмотрении зависимости (7) и (8), видно, что характер изменения М_е и N_e в большей степени определяется четырьмя безразмерными коэффициентами, три из которых _v, _i и _м характеризуют различного рода потери. Коэффициент наполнения _v определяет потери при наполнении двигателя свежим зарядом (воздухом), _i – тепловые потери в ходе преобразования тепловой энергии в механическую, _м – механические потери. Изменение коэффициента избытка воздуха  с изменением нагрузки и частоты вращения сказывается также на рабочем процессе двигателя, в первую очередь на процессе сгорания.

Плотность воздуха во впускной системе для двигателей без наддува равна ₀, и ее незначительным изменением можно пренебречь. Для двигателей с наддувом изменение массового наполнения зависит от _к.

Удельный эффективный расход топлива g_e изменяется в соответствии с изменением _e или произведения _i_м, так как

g_e = C₇ 1/_e = C₇ 1/_i_м, (9)

где C₇ = 3600/H_u – постоянная величина для выбранного вида топлива.