Розділ 5. Розрахунок швидкісної характеристики двигуна

Швидкісна характеристика двигуна необхідна для подальшого проектування трактора чи автомобіля. На основі швидкісної характеристики виконують розрахунок тягової характеристики трактора, визначають тягово-динамічні показники автомобіля, проводять аналіз економічності проектованої машини.

На стадії проектування швидкісну характеристику одержують за допомогою методу подібності, враховуючи той факт, що характер протікання процесів (наповнення циліндрів, термічного і механічного ККД, згоряння палива та ін.), що впливають на формування швидкісної характеристики, для однотипних двигунів однаковий, незалежно від номінальної потужності, номінальної частоти обертання KB і т.д. Можна вказати декілька різновидів використання методу подібності при розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики:

а). Табличний метод – характеристика задається у вигляді таблиці у безрозмірних координатах (частота обертання KB, потужність або крутний момент і годинна або питома витрата палива у відсотках від номінального значення).

б). Аналітичний метод – залежності потужності або крутного моменту та годинної або питомої витрати палива від частоти обертання KB виражаються емпіричними рівняннями, одержаними на основі математичної обробки статистичних даних по двигунах певного класу (дизелі, карбюраторні, газові двигуни різного призначення).

в). Метод теплового розрахунку двигуна для різних значень частоти обертання KB.

Достовірність результатів, одержаних різними методами, відрізняються мало, похибка розрахованої характеристики від одержаної випробуваннями двигуна може становити 5...8%. За різних обставин при проектуванні віддають перевагу різним методам розрахунку.

5.1. При наявності даних швидкісної характеристики прототипу (додаток 1) можна скористатися методом подібності, обчислюючи коефіцієнти перерахунку параметрів:

К_N = N_e/N_епр (5.1)

та

К_G = G_т/G_тпр (5.2)

де N_е та N_епр – номінальні потужності проектованого двигуна та прототипу, відповідно;

G_т та G_тпр – годинна витрата палива на номінальному режимі для проектованого двигуна та прототипу, відповідно.

Після обчислення коефіцієнтів перерахунку знаходять для кожної частоти обертання двигуна n_x, значення яких повинні відповідати даним прототипу, відповідні значення потужності та годинної витрати палива:

N_ex = N_епрх·К_N (5.3)

та

G_тх = G_тпрх·К_G (5.4)

Значення крутного моменту М_ех та питомої витрати палива g_ех обчислюють за формулами:

M_eх = 9550·N_eх/n_х (5.5)

та

g_eх = 1000·G_тх/N_eх, (5.6)

підставляючи поточні значення N_ех, G_тх та n_х.

Дані розрахунків заносять до заздалегідь підготовленої таблиці (див. табл. 5.2 – зразок)

5.2. При відсутності даних характеристики прототипу можна скористатись табличним методом та відомими співвідношеннями між параметрами відносної швидкісної характеристики [11]:

Для дизелів:

Частота обертання KB n, %	20	40	60	80	100	107
Ефективна потужність Nе, %	17	41	67	87	100	0
Питома витрата палива gе, %	135	110	100	95	100	-

Для карбюраторних двигунів:

Частота обертання KB n, %	20	40	60	80	100	120	125
Ефективна потужність Nе, %	20	50	73	92	100	92	0
Питома витрата палива gе, %	115	100	97	95	100	115	-

Значення М_ех та G_тх обчислюють, як було вказано вище, за формулами 5.5 та 5.6, яка набуває виду:

G_тх = g_eх·N_eх,/1000 (5.7)

Дані розрахунків заносять до таблиці 5.2.

Для дизелів табличні дані приведені до значення частоти обертання 100%. При збільшенні частоти обертання спрацьовує регулятор-обмежувач обертів і характеристика практично лінійно падає. При холостому ході (М_е = 0, N_е = 0) частота обертання збільшується не більше, ніж на 6...7% від номінальної, годинна витрата палива G_T при цьому становить 25...30% від номінальної, а питома витрата палива g_е дорювнюе безконечності - втрачається її фізична суть.

Для карбюраторних двигунів вантажних автомобілів обмеження частоти обертання здійснюють однорежимним регулятором-обмежувачем, який прикриває дросельну заслінку при досягнення частоти обертання 120...125 % від номінальної.

5.3. При використанні аналітичного методу потужність N_х розраховують, задаючись частотою обертання n_X, по емпіричній формулі [2]:

(5.8)

де N_е – номінальна потужність двигуна, розрахована у розділі 3;

n_n та n_x – номінальна та поточна частоти обертання KB;

А та Б – коефіцієнти, які при розрахунку вибираються в залежності від типу двигуна (таблиця 5.1).

Питому витрату палива g_е розраховують за аналогічною емпіричною залежністю [11]:

(5.9)

де g_е – ефективна питома витрата палива з теплового розрахунку;

Г та Д – коефіцієнти з таблиці 5.1.

Таблица 5.1.

Значення коефіцієнтів апроксимуючого рівняння швидкісної характеристики

Коєфіциєнти Тип двигуна:	А	Б	Г	Д
Карбюраторний	1,00	1,00	1,20	1,20
Дизель з нерозділеною КЗ	0,87	1,13	1,55	1,55
Дизель з розділеною КЗ	0,65	1,35	1,65	1,65

Дані розрахунків N_е = f(n) та g_e = f(n) заносять до підсумкової таблиці 5.2 і за формулами 5.5 та 5.6. обчислюють недостаючі значення крутного моменту М_е та годинної витрати палива G_т. Крім того, обчислюють параметри максимальних обертів холостого ходу (див. нижче).

5.4. Для застосування методу теплового розрахунку при побудові зовнішньої швидкісної характеристики [15] необхідно знати залежність багатьох коефіцієнтів, які використовуються у тепловому розрахунку (наповнення циліндрів, показники політроп, коефіцієнт залишкових газів і т.д.) від частоти обертання двигуна. Ці коефіцієнти можуть бути наближено обчислені через емпіричні залежності, що одержують на основі результатів випробувань багатьох однотипних двигунів.

Метод набагато трудомісткіший і може бути рекомендований лише при виконанні обчислень з допомогою ЕОМ, тим паче, що одержані результати не є достовірнішими. Переваги методу полягають у можливості аналізу факторів, які впливають на протікання характеристики, і, в разі необхідності, її корректування. Це може виявитися необхідним для покращення властивостей проектованого трактора чи автомобіля, дає можливість вжити відповідних конструктивних заходів ще на стадії проектування машини, скорочуючи термін впровадження нових машин та зменшуючи витрати коштів.

Таблиця 5.2.

Результати розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики двигуна

Частота обертання КВ, об/хв	Потужність, кВт	Крутний момент, Нм	Витрата палива		Циклова подача, мм3/цикл
			годинна, (кг/год)	питома (г/кВтгод)
440,0 880,0 1320,0 1760,0 2200,0	12,1 29,1 47,5 61,7 70,9	261,6 315,4 343,7 334,7 307,8	3,7 7,3 10,9 13,5 16,3	310,0 252,6 229,7 218,2 229,7	84,57 82,87 82,00 75,89 73,44
Режим максимальної частоти обертання холостого ходу:
2320,0	0,0	0,0	4,2	-	17,32
Масштаби побудови графіків:	μN = ____ кВт/мм	μМ =____ Нм/мм	μG = ____ (кг/год)/мм	μg = ____ (г/кВтг)/мм	μq = ____ мм3/цкл/мм

5.5. Режим максимальної частоти обертання холостого ходу двигуна розраховують, керуючись такими міркуваннями:

Для дизелів, які обладнані всережимним регулятором, координати точки максимальних обертів будуть:

частота обертання n_maх = (1,06...1,07)·n_nom,

потужність N_е = 0,

годинна витрата палива G_т = (0,25...0,3)·G_тном.

При відсутності обмежувача частоти обертання (карбюраторні двигуни легкових автомобілів):

частота обертання n_max = (1,15...1,25)·n_nom,

потужність N_e = (0,95...0,76)·N_en ,

годинна витрата палива G_т = (1,0...0,9)·G_тном.

Карбюраторні двигуни вантажних автомобілів обов’язково обладнують обмежувачем частоти обертання KB, який обмежує частоту обертання на холостому ходу:

частота обертання n_max = (1,25...1,30)·n_nom,

потужність N_e = 0,

годинна витрата палива G_т = (0,3...0,35)·G_тном.

5.6. Розрахункова циклова подача палива q_ц паливним насосом високого тиску (ПНВТ) поміщається у останній колонці таблиці 5.2 і розраховується за формулою:

q_ц = (g_е·N_e·1000)/(30·n·i·γ_п), мм³/цикл (5.10)

де n – частота обертання KB, об/хв;

і – число циліндрів;

γ_п – густина палива у кг/дм³; (для дизельного пального γ_п = 0,80...0.85, для бензину – 0,72...0,78).

Розрахункову циклову подачу палива можна вважати вихідними даними для проектування ПНВТ майбутнього двигуна, або даними для регулювання насоса, якщо буде використовуватися готовий насос. Звичайно, ці дані будуть уточнені при випробуваннях двигуна. Загальний вигляд розрахованої і побудованої кривої циклової подачі ПНВТ слід порівняти з експериментальною швидкісною характеристикою ПНВТ, одержаною на лабораторних заняттях лабораторного практикуму по ДВЗ.

Значення циклової подачі при проектуванні карбюраторного двигуна може бути використане для обчислення витрати палива через жиклери карбюратора, підбору параметрів дозуючих систем та побудови характеристики карбюратора.

До таблиці 5.2 слід також занести значення масштабів, прийнятих при побудові графіків (див. зразок).

5.7. Зовнішня швидкісна характеристика проектованого двигуна повинна бути побудована на окремому аркуші міліметрового паперу формату А4 з дотриманням масштабів (рис. 5.1). Рекомендується приймати масштаби потужності μ_N у кВт/мм, крутного моменту μ_M у Нм/мм, годинної витрати палива μ_G у (кг/год)/мм, питомої витрати палива μ_g, у (г/кВтгод)/мм та величини циклової подачі q_ц у (мм³/цикл)/мм з ряду чисел:

(0,01 0,02 0,025 0,04 0,05 0,075)·10ⁿ

де n – ціле число або нуль.

При побудові характеристики початок шкали g_е = f(n) вибирають з умови вільного розташування кривої g_e = f(n) відносно інших графіків. На зразку рис. 5.1 шкала питомої витрати палива починається зі значення „200”.

Таблицю розрахунків характеристики заповнюють згідно зразка (таблиця 5.2). Дані будуть використані при подальших розрахунках трактора чи автомобіля.

Для контролю правильності розрахунків по запиту ЕОМ слід ввести дані таблиці 5.2 та значення ординат побудованої характеристики.

Рис. 5.1. Зовнішня швидкісна характеристика проектованого двигуна (зразок)

Програма для перевірки курсового проекту за умови правильного виконання динамічного розрахунку (попередній розділ) дозволяє обчислити параметри зовнішньої швидкісної характеристики майбутнього двигуна методом теплового розрахунку та вивести на екран значення всіх суттєвих параметрів для різних частот обертання KB з метою їх аналізу.

Таблицю даних розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики двигуна, видану студенту, як заохочення за добросовісну роботу, слід доповнити останньою точкою – точкою максимальної частоти обертання холостого ходу.