3.2.2. Скоростные характеристики дизелей

Наиболее эффективно наддув используется в дизелях (в двигателях с принудительным зажиганием его использованию препятствует детонационное сгорание), поэтому при изучении скоростных и других характеристик дизелей рассматриваются двигатели без наддува, а текст с отличием хода кривых дизелей с наддувом будет располагаться после материала посвященного двигателям без наддува.

Внешняя скоростная характеристика дизеля заключается в области частот от n_min до n_ном. Выбор частоты n_ном объясняется тем, что максимальная мощность дизеля не доводится до частоты, где N_e достигает своего максимального значения вследствие ухудшения процесса сгорания.

Рис. 12. Внешняя скоростная характеристика дизеля

Номинальной частотой вращения дизеля считается та, при которой начинается неполнота сгорания, характеризуемая выделением большого количества свободного углерода в виде сажи. Мощность дизеля при этом на 10–15 % ниже N_{e max}. Работу дизеля с явно выраженным дымным выпуском, обусловленным недогоранием топлива, допускать не рекомендуется. Рассмотрим внешнюю скоростную характеристику дизеля (рис. 12).

Общий вид кривых P_i, P_е, M_е, N_e, _e и g_e такой же, как и в двигателях с внешним смесеобразованием, и определяется теми же факторами. Однако в рабочем диапазоне частот вращения P_i, P_е и M_е будут более пологими, что обуславливает меньший (без корректоров подачи топлива), чем у карбюраторных двигателей, коэффициент приспособляемости k=M_max/M_nном=1,05–1,15 (в карбюраторных двигателях К=1,251,4). Подобный ход указанных зависимостей объясняется тем, что коэффициент наполнения _v при работе дизеля по скоростной характеристике зависит от скорости газа в проходных сечениях клапанов и фаз газораспределения, а в карбюраторном двигателе еще и от положения дроссельной заслонки. В двигателях с наддувом на величину _v влияет также давление наддува P_k. Сопротивление впускной системы дизеля из-за отсутствия такого органа, как дроссельная заслонка с карбюратором, несколько меньше, чем в карбюраторном двигателе. Этим и объясняются более плавное изменение _v и его несколько большие значения по абсолютной величине.

При работе дизеля по скоростной характеристике, несмотря на то, что орган, регулирующий подачу топлива, фиксируется, с повышением n цикловая подача топлива g_ц в случае применения наиболее часто используемого топливного насоса золотникового типа возрастает. Причина – уменьшение влияния утечек топлива через зазоры золотниковой пары и увеличение влияния дросселирования во всасывающих и перепускных окнах насоса в начале и конце нагнетания. Небольшое уменьшение _v и увеличение g_ц с повышением n вызывают уменьшение , а это приводит к ухудшению протекания рабочего процесса и увеличению тепловых потерь (уменьшается _i и, как следствие, к уменьшению P_i; понижение частоты вращения ведет к некоторому увеличению , к уменьшению цикловой подачи топлива и соответственно P_i, P_е и M_е).

На практике увеличение запаса M_i на низких частотах достигают установкой специальных корректоров, позволяющих увеличивать цикловую подачу топлива, обеспечивая тем самым постоянство  и увеличение M_e на 15–25%.

В дизелях с наддувом наполнение зависит от плотности воздуха _k. С увеличением частоты вращения  растет, а с понижением n плотность воздуха уменьшается, что приводит к уменьшению . Влияние  при работе дизеля по скоростной характеристике таково, что его индикаторный КПД _i возрастает с повышением n, хотя отношение _i / уменьшается. Таким образом кривая _v с ростом частоты вращения (в силу уменьшения относительных потерь давления во впускной системе) становится более пологой, чем у двигателя без наддува. В случае нерегулируемого газотурбинного наддува максимум _v смещается в сторону большей частоты вращения. Это вызывает (с ростом n) увеличение Р_k, Т_k, _k, P_z и, как следствие, – повышение расходов воздуха и отработавших газов. При превышении номинальной частоты вращения падение _i и соответственно P_i, P_e и M_i станет еще больше вследствие значительного ухудшения процесса смесеобразования и сгорания.

С увеличением n механический КПД _м в дизелях без наддува снижается более интенсивно, чем в двигателях с наддувом. Перечисленные особенности изменения отдельных сомножителей в выражении (7) определяют характер изменения M_e при работе двигателя по скоростной характеристике. В двигателях без наддува Р_e, начиная с малых частот, постепенно увеличивается, достигая в современных дизелях максимума в области частот (0,55–0,70) n_ном, в то время как в карбюраторных двигателях P_{e max} достигается при (0,45–0,55) n_ном. В двигателях с наддувом в связи с ростом Р_k среднее эффективное давление при увеличении n может изменяться двояко: либо как у двигателей без наддува, либо монотонно возрастать. Это объясняется более пологим характером изменения _i и ростом Р_k при использовании наддува. С повышением величины наддува максимум Р_e (M_e) сдвигается в сторону высоких частот либо вовсе его не имеет. Такой характер применения P_e и M_i ухудшает устойчивость работы дизеля в автомобильном транспорте либо вообще исключает возможность его применения без промежуточных преобразователей, например электрических машин.

Удельный эффективный расход топлива дизелей g_е изменяется в соответствии с изменением _e = _i _m. У дизелей максимум _e (характер изменения более плавный, чем в двигателях с принудительным зажиганием) находится в интервале частот n_м и n_ном. В соответствии с (9) g_{e min} определяется максимумом _e. Особенностью изменения g_e дизеля по скоростной характеристике является его незначительное изменение (до 5 % в зоне рабочего диапазона частот вращения).

При работе дизеля по частичным скоростным характеристикам характер изменения основных показателей не меняется. С изменением органа, регулирующего топливоподачу, закон подачи топлива в зависимости от частоты вращения сохраняется. Коэффициент наполнения _v с ростом подачи топлива несколько уменьшается (не более 5 % с увеличением мощности от нуля до номинальной), но характер его изменения практически не меняется. Все это приводит к тому, что характеристики мощности представляют собой слабо изогнутые кривые, не имеющие максимумов, а значения максимумов Р_e и M_е и минимума g_e находятся примерно на одном и том же скоростном режиме независимо от подачи топлива.

Таким образом, сопоставление частичных скоростных характеристик двигателей с принудительным зажиганием и дизелей показывает их существенное отличие. В двигателях с принудительным зажиганием переход на частичные скоростные характеристики связан с количественным регулированием свежего заряда путем изменения положения дроссельной заслонки, что вызывает резкое снижение P_i, P_е и M_e, N_е и смещение их максимумов в сторону меньших частот вращения коленчатого вала. Это приводит к тому, что на некоторых частичных скоростных характеристиках двигатель будет работать на режиме холостого хода на частотах, меньших номинальной частоты. У дизелей с топливными насосами золотникового типа при уменьшении топливоподачи путем перестановки рейки осуществляется качественное регулирование и характеристики смещаются, практически не меняя своего характера. Такое изменение основных параметров ограничивает возможность работы карбюраторных двигателей по частичным скоростным характеристикам.