3.2.1. Скоростные характеристики двигателя с принудительным зажиганием

Скоростные характеристики двигателя представляют собой зависимости основных показателей его работы: эффективной мощности N_e, крутящего момента M_e, среднего эффективного давления Р_e, часового G_Т и эффективного удельного g_e расходов топлива, механического _м и эффективного _e КПД, а при необходимости и ряда показателей процесса наполнения цилиндра свежим зарядом (двигатель с принудительным зажиганием и газовый) или воздухом (дизели) и рабочего процесса: среднего индикаторного давления P_i, коэффициента избытка воздуха , коэффициента наполнения _v и т. д. – от частоты вращения коленчатого вала двигателя n. Определение скоростных характеристик осуществляется при постоянном положении дроссельной заслонки (дросселя) для двигателей с принудительным зажиганием или рейки топливного насоса для дизелей при установившихся тепловых состояниях двигателей. Изменение частоты вращения осуществляется путем изменения момента сопротивления нагружающего устройства.

Различают абсолютную внешнюю, внешнюю и частичные скоростные характеристики. Для дизелей помимо перечисленных характеристик добавляется характеристика предела дымления.

Абсолютную внешнюю скоростную характеристику получают при полных подачах топлива и оптимальных регулировках угла опережения зажигания (двигатели с принудительным воспламенением) или впрыска топлива (дизели), состава смеси (двигатели с принудительным воспламенением) и закона подачи топлива (дизели) для каждой точки характеристики. Она ограничивает поле возможных максимальных нагрузок двигателя.

Внешнюю скоростную характеристику получают при полном открытии дроссельной заслонки или установки рейки топливного насоса на упор при оптимизации угла опережения зажигания (впрыска) на выбранном эксплуатационном режиме. Частичные скоростные характеристики определяют зависимость перечисленных параметров от частоты вращения при промежуточных положениях дроссельной заслонки (рейки топливного насоса).

Работа двигателя с принудительным зажиганием в условиях эксплуатации приближается к внешней скоростной характеристике при регулировке на максимальную мощность. Этим объясняется то, что на практике с целью определения рабочей зоны двигателя снимают чаще всего внешнюю скоростную характеристику.

Работа дизеля на предельных мощностях допускается только при регулировке топливного насоса двигателя, поскольку связана с сильным дымлением, большим нагарообразованием и чрезмерным перегревом двигателя, приводящим к быстрому изнашиванию деталей цилиндропоршневой группы. Дымление дизеля на мощностях, близких к максимальным, начиная со значений 0,85 N_eном, объясняется уменьшением  до значений 1,2–1,4, а это приводит к недостатку воздуха для полного сгорания топлива. Начало неполного сгорания топлива в дизелях называется пределом дымления. На каждом скоростном режиме этому моменту может соответствовать своя подача топлива. Кривая, полученная по началу дымления на каждом скоростном режиме дизеля, называется характеристикой предела дымления.

Скоростные характеристики позволяют судить о тяговых и экономических качествах двигателей и выявлять характерные режимы их работы.

В зависимости от указаний преподавателя снимаются либо внешняя, либо частичные скоростные характеристики двигателей.

При построении скоростных характеристик необходимо определять частоты вращения, которые характеризуют предельные значения рабочего диапазона частот, а также частоты, соответствующие экстремальным значениям крутящего момента, удельного расхода топлива, мощности. В соответствии с этим в двигателях установлены следующие характерные значения частот вращения коленчатого вала:

n_{x min} – минимальная частота вращения коленчатого вала на холостом ходу;

n_min – минимальная частота вращения, при которой двигатель устойчиво работает на полной нагрузке;

n_m – частота вращения, соответствующая наибольшему крутящему моменту (для двигателей с принудительным n_m находится в области частот вращения (0,4–0,6) n_N, для дизеля (0,5–0,7) n_N;

n_ge – частота вращения, соответствующая минимальному удельному расходу топлива;

n_N – частота вращения, соответствующая максимальной мощности;

n_ном – номинальная частота вращения;

n_{x max} – наибольшая частота вращения холостого хода при полностью открытой дроссельной заслонке (или соответствующая работе с регулятором);

n_разн – наибольшая частота вращения, при которой вся индикаторная мощность расходуется на трение (предельные частоты). Для двигателей с принудительным зажиганием n_разн = (1,7–2,0) n_ном, для дизелей n_разн = (1,4–1,6) n_ном.

Методика снятия скоростных характеристик. Скоростные характеристики определяются при различных, постоянных для каждой характеристики положениях органа регулирования подачи свежего заряда (двигатели с принудительным зажиганием) или органа управления регулятором скорости с помощью рейки топливного насоса (дизели). Как правило, транспортные дизели оборудуются всережимными регуляторами. При максимальной затяжке пружины регулятора (установка рейки на упор) определяется внешняя скоростная характеристика с регуляторной ветвью. Причем в области частот вращения от n_min до n_ном снимается собственно внешняя скоростная характеристика, а в области частот вращения n_ном до n_{x max} – регуляторная характеристика. При снятии скоростных характеристик (рис. 11) последовательность работы следующая.

Рис.11. Внешняя скоростная характеристика двигателей

с принудительным зажиганием

После пуска двигателя, нагружением его с помощью тормоза устанавливаются либо дроссельная заслонка, либо рейка топливного насоса в нужном положении в зависимости от того, какая характеристика снимается – внешняя или частичные. После восстановления устойчивого теплового состояния производятся замеры необходимых величин, а затем путем изменения нагрузки выходят на следующий скоростной режим работы и т. д.

Дискретно с равномерным шагом получают данные на 6–8 скоростных режимах. Для повышения точности данных необходимо путем увеличения нагрузки пройти характеристику по тем же скоростным режимам от n_min до n_ном. Для уменьшения случайных погрешностей результатов измерения снятие характеристики для каждого положения управляющего органа необходимо повторить не менее 4 раз.

Скоростные характеристики двигателей с принудительным зажиганием рассматриваются в диапазоне частот вращения от n_min до

n_{x max}, причем для данного типа двигателя чаще всего n_N = n_ном.

Практический интерес представляют как внешняя, так и частичные скоростные характеристики. Работа бензиновых двигателей в условиях их эксплуатации вне городов близка к внешней скоростной характеристике, а в городских условиях автомобильный транспорт работает на частичных скоростных режимах.

Эффективная мощность N_e и крутящий момент двигателя М_e могут изменяться от нулевого значения на частоте n_{x max} до максимальных значений: M_{e max} на частоте n_м = (0,4–0,6)n_ном и N_e на частоте вращения коленчатого вала, равной номинальной n_ном. Крутящий момент после n_m с повышением частоты вращения начинает снижаться и составляет на частоте n_ном 60–85 % от M_{e max}.

Характер изменения M_e в соответствии с зависимостью (4) полностью определяется значениями среднего эффективного давления, представляющего собой эффективную удельную работу цикла. Изменение Р_е в соответствии с (6) определяется видом зависимого от индикаторного КПД _i, характеризующего тепловые потери рабочего процесса двигателя, механического КПД, характеризующего механические потери двигателя, коэффициента наполнения, характеризующего потери двигателя в процессе наполнения его свежим зарядом, а также коэффициентом избытка воздуха .

Значения Р_е и связанные с ним значения P_i имеют максимумы в области средних частот, причем Р_e при частоте n_м, а максимум P_i расположен правее в области более высоких частот, поскольку P_e = P_i_м. Положение максимумов M_e, P_e и P_i в области указанных частот вращения объясняется наилучшей очисткой цилиндров двигателя и соответственно наименьшим значением коэффициента остаточных газов _r, наибольшим значением коэффициента наполнения _v. Все это приводит к наибольшей эффективности преобразования тепловой энергии в механическую и соответственно к наибольшему значению M_e.

Снижение частоты вращения относительно n_м ведет к тому, что качество очистки цилиндров ухудшается, что приводит к уменьшению _v. Уменьшаются индикаторный и механический КПД. Ухудшение показателей _r и _v объясняется зависимостью их при работе двигателя по скоростной характеристике от скорости газов в проходных сечениях выпускного и впускного клапанов, фаз газораспределения и положения дроссельной заслонки. В силу этого при уменьшении n значение _r увеличивается, а _v уменьшается из-за несоответствия регулировок органов газораспределения скоростному режиму, поскольку фазы открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов выставляются, как правило, оптимальными для эксплуатационных режимов. Снижение _i, характеризующего тепловые потери, происходит, в первую очередь, за счет увеличения относительных потерь тепла через стенки цилиндра, головки и поршня в охлаждающую среду, увеличения утечек газов через неплотности поршневых колец и уменьшения . Уменьшение механического КПД с понижением n объясняется зависимостью его от _v и _i, поскольку

_м = P_e/P_i = 1  (P_м /P_i) = 1  (P_м )/(C₄ _i _v). (10)

При увеличении частот вращения относительно n_м, P_e и P_i начинают уменьшаться вследствие ухудшения показателей _i, _v и _m, причем наибольшее влияние на более крутое изменение M_e по внесшей характеристике с повышением n оказывает значительное изменение _r и _v, вызванное увеличением гидравлического сопротивления впускного и выпускного трактов. Механические потери возрастают, поскольку с увеличением n увеличиваются потери на трение.

С увеличением частот вращения сокращается время рабочего цикла двигателя, что вызывает увеличение догорания топлива на линии расширения, а это приводит к потере тепла (и соответственно к уменьшению _i) через стенки цилиндра в систему охлаждения и с отработавшими газами. Для устранения этого недостатка в бензиновых двигателях регулируется угол опережения зажигания с помощью вакуумного и центробежного регуляторов. Это приводит к оптимизации _оп.з при изменении n и нагрузки, и как следствие, _i с повышением n и нагрузки двигателя мало изменяется.

Изменение часового расхода топлива по скоростной характеристике определяется в основном числом оборотов и коэффициентом наполнения и в меньшей степени – коэффициентом избытка воздуха , поскольку последний мало изменяется в рабочем диапазоне частот (от n_м до n_ном). После достижения коэффициентом наполнения максимума и дальнейшего его уменьшения с увеличением n значения G_Т отклоняются в прямо пропорциональной зависимости от n и далее в некоторых случаях G_т может иметь максимум на близких n_ном частотах.

Удельный расход топлива g_e изменяется в соответствии с изменением произведения _i_м (9) и при n_min и n_разн стремится к бесконечности. Минимум g_е наступает при n_ge, расположенном между n_м и n_ном, где достигает максимума значение _e.

Мощность двигателя в соответствии с зависимостью (5) полностью определяется характером изменения Р_е и n. Она растет с повышением частоты вращения до тех пор, пока влияние увеличения n сказывается сильнее, чем влияние уменьшения P_e. Поскольку P_e на частотах вращения, близких к n_ном, резко уменьшается, то мощность перестает увеличиваться, достигает максимума и далее начинает снижаться.

Как правило, в бензиновых автомобильных двигателях номинальной частотой считается та, при которой N_e достигает максимума. Работа двигателя на режимах, превышающих n_ном, нецелесообразна вследствие ухудшения топливной экономичности при уменьшающейся мощности и значительных механических нагрузках, вызываемых возрастанием сил инерции подвижных деталей.

Максимумы N_e, M_e, G_т и минимум g_e на частичных скоростных нагрузках путем прикрытия дроссельной заслонки и соответственно уменьшения подачи рабочей смеси смещаются в сторону малых частот вращения, что в существенной мере сужает диапазон рабочих частот вращения. В первую очередь это объясняется увеличением скорости газов на всасывании и выпуске и соответственно увеличением гидравлических сопротивлений (пропорционально квадрату скорости потока газа). В конечном счете, это приводит к уменьшению η_v и соответственно уменьшению подачи топлива на цикл. С прикрытием дроссельной заслонки рабочая смесь все более разбавляется остаточными газами, обуславливая уменьшение P_i, M_e и N_e.

Экономичность карбюраторных двигателей при прикрытии дроссельной заслонки ухудшается, что вызывается уменьшением _i и _v, а это приводит к уменьшению _м и _e. Так, если при полностью открытой дроссельной заслонке _e достигает 30–32 %, то при работе на частичных характеристиках падает до 5–15 %. При этом ухудшается в соответствии с зависимостью (19) и экономичность двигателя.