Учебник. Двигатели внутреннего сгорания теория, моделирование и расчёт процессов / DVS_teoriy_modelir_i_raschet_processov2

Литраж двигателя Vhi равен сумме рабочих объёмов всех цилиндров двигателя.

Перепишем формулу (9. 23) в следующем виде:

Vhi = Ne . N л

Отсюда видно, что при неизменной эффективной мощности двигателя увеличение его литровой мощности влечёт за собой уменьшение литража двигателя, а значит, его габаритов и массы, чем и определяется важное значение этого показателя, особенно для транспортных двигателей.

Подставляя в формулу (9. 23) развёрнутое выражение для Ne , получаем

N л = 30peτn .

Эта формула показывает, что литровая мощность определяется средним эффективным давлением, частотой вращения вала и тактностью двигателя. Произведение рen характеризует величину сил инерции движущихся деталей и рмакс, поэтому Nл может рассматриваться как показатель механической напряжённости двигателя. Поскольку величина (рen/τ) косвенно отражает величину теплового потока через двигатель в единицу времени, постольку и Nл может рассматриваться как показатель теплонапряжённости. Следовательно, увеличение Nл связанно с преодолением трудностей, возникающих при увеличении тепловых и механических нагрузок на двигатель. Среднее значение литровой мощности для массово выпускаемых двигателей находится в пределах 7,4…25,7 кВт/л. При этом меньшие значения относятся к тракторным дизелям, а большие – к двигателям с внешним смесеобразованием.

Связь между удельной поршневой и литровой мощностями. Выве-

дем выражение, связывающее удельную поршневую и литровую мощности.

Таким образом, при Nп = idem литровая мощность тем больше, чем меньше ход поршня, то есть, меньше размеры цилиндра.

Можно также написать

231

откуда видно, что при Nn = idem, то есть, при одинаковой механической и тепловой напряжённости двигателя и S/D = idem литровая мощность зависит от диаметра цилиндра: при его уменьшении Nл увеличивается.

При Nп = idem и D = idem литровая мощность зависит от отношения S/D: при его уменьшении Nл увеличивается.

Из анализа приведённых соотношений следует, что при одинаковой механической и тепловой напряженности (Nn = idem) при малых размерах цилиндра легче получить большую литровую мощность. Кроме того, Nл может служить показателем степени форсированности двигателя конкретной размерности или двигателей, имеющих одинаковые ходы поршней (при разных величинах ходов поршней сравниваемых двигателей удельная литровая мощность не может служить оценочным показателем степени форсированности двигателей). Для этой цели следует пользоваться понятием удельной поршневой мощности.

Литровая и удельная масса двигателей. Сухая масса двигателя Gд,

приходящаяся на один литр рабочего объёма, называется литровой массой двигателя. Она определяется делением сухой массы на литраж двигателя

В так называемую сухую массу двигателя не включают массы охлаждающей жидкости, масла, водяного и масляного радиаторов, выпускной трубы с глушителем, а также массы приборов.

Величина литровой массы зависит от различных показателей: удельных нагрузок на детали двигателя, качества конструкционных материалов (их прочностных характеристик, удельной массы) и совершенства конструкции.

Литровая масса есть показатель относительного конструктивного совершенства двигателя. При достаточной прочности и жёстокости деталей и, следовательно, надёжности и долговечности двигателя малая литровая масса говорит о совершенстве его конструкции с точки зрения количества металла, затраченного на один литр рабочего объёма.

Сухая масса двигателя, приходящаяся на один кВт номинальной мощности, называется удельной массой. Она определяется делением сухой массы на номинальную мощность двигателя

Удельная масса двигателя является более общим показателем по сравнению с литровой массой. Удельная масса зависит не только от литровой массы, но и от литровой мощности.

Таким образом, уменьшение удельной массы двигателя возможно путём снижения удельных нагрузок, применения высококачественных материалов,

232

совершенствования конструкции, повышения среднего эффективного давления (например, снижением в дизелях αд, применением наддува, повышением степени сжатия в двигателях с внешним смесеобразованием), форсирования двигателя по частоте вращения, перехода на двухтактный цикл.

Таблица 9. 12 Средние значения gл и gN для массово выпускаемых отечественных

автотракторных двигателей

233

10. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ

Общие понятия о характеристиках

Назначение двигателя – производить механическую энергию, которая может быть использована для привода в действие какой-либо машины, агрегата или узла. Таким образом, приводимая двигателем в действие машина или силовая передача потребляет механическую энергию, и впредь мы будем именовать их потребителями механической энергии, или просто потребителями.

В условиях эксплуатации потребителю от двигателя требуется различная мощность при разных скоростных режимах его работы. Особенно широкие пределы изменения мощности и частоты вращения вала наблюдаются при эксплуатации автомобильных и тракторных двигателей.

Нагрузка, частота вращения вала и регулировочные параметры двигателя определяются условиями эксплуатации потребителя и, поэтому, могут быть отнесены к основным эксплутационным факторам.

К основным показателям работы двигателя, как уже отмечалось ранее, относятся: мощность, крутящий момент, часовой и удельный расходы топлива.

Изменение величины одного или нескольких показателей работы двигателя в зависимости от какого-либо эксплутационного фактора называется характеристикой двигателя. Характеристики двигателя выявляются, или, как принято говорить, снимаются при испытании или исследовании работающего двигателя на специальном стенде. В состав оборудования и приборов такого стенда входят тормоз и устройства для измерения крутящего момента, расходов топлива и воздуха, частоты вращения вала двигателя. Тормоз позволяет имитировать нагружение двигателя тем или иным потребителем (трактором, автомобилем, судном, комбайном).

Как правило, характеристики снимаются на установившихся режимах работы двигателя. Под установившимся режимом работы двигателя понимается такой режим, при котором обеспечивается практическое постоянство показателей его работы, которые, строго говоря, подвержены некоторым колебаниям (отклонениям, флуктуациям) от средних значений. Эти колебания определяются условиями нагружения, которые не позволяют получить совершенно стационарные нагрузки двигателя.

Обычно характеристики приводятся в виде графиков, построенных в прямоугольной системе координат: в качестве независимой переменной (аргумента) рассматривается тот или иной эксплутационный фактор, а в качестве функции рассматриваются показатели работы двигателя.

234

Различают скоростные, нагрузочные, регулировочные и другие характеристики. Характеристики дают представление о работе двигателя в целом и, главным образом, о характере изменения мощности, крутящего момента, экономических показателей и других параметров при работе двигателя на разных эксплутационных режимах.

Совместная работа двигателя и потребителя

Особенно большое значение имеют характеристики с точки зрения совместной работы двигателя и потребителя (приводимая в действие машина или передача). Невозможно правильно подобрать двигатель к какому-либо конкретному потребителю, не зная его (двигателя) характеристик. Выявлены типичная характеристика изменения максимальной мощности двигателя Ne, см. рис. 10. 1, в зависимости от частоты вращения вала n и типичные кривые изменения мощности потребителя механической энергии Nп (автомобиль, трактор) применительно к различным условиям их использования: N’п – максимальное потребление мощности, N’’п – среднее и N’’’п – малое – рис. 10. 2.

Характеристика двигателя на рис. 10. 3 совмещена с характеристикой потребителя. Устойчивый режим работы системы «двигатель – потребитель», то есть, динамическое равновесие системы, устанавливается при равенстве мощностей. Точка a пересечения характеристик при частоте вращения na соответствует этому состоянию. При частоте вращения n1 < na мощность двигателя превышает мощность потребителя, и избыток мощности увеличивает кинетическую энергию системы, частота вращения вала системы будет повышаться до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равенства мощностей (точка a).

235

Наоборот, при n2 > na недостаток мощности двигателя «покрывается» за счёт кинетической энергии системы, и частота вращения вала уменьшается до тех пор, пока опять не установится равенство мощностей.

Таким образом, при работе двигателя с потребителем устойчивый режим работы системы устанавливается автоматически, причём с увеличением мощности потребителя обороты уменьшаются, и наоборот.

Если мощность потребителя на какомлибо скоростном режиме уменьшается (кривая N’’п на рис.10. 4 а), а по условиям работы желательно поддерживать частоту вращения

na неизменной, то мощность двигателя должна быть уменьшена до нового значения N’’e. Точка a’’ соответствует новому состоянию динамического равновесия системы. В двигателях предусмотрена возможность регулирования мощности. Регулирование величины мощности осуществляется увеличением или уменьшением подачи топлива (горючей смеси) в цилиндры двигателя. В дизелях принято регулировать подачу топлива поворотом плунжеров топливного насоса (качественное регулирование). В двигателях с внешним смесеобразованием подача горючей смеси регулируется посредством изменения положения дроссельной заслонки, поворотом её (количественное регулирование).

Рис. 10. 4. Совмещённые характеристики двигателя и потребителя:

а) – уменьшение мощностей двигателя и потребителя при постоянной частоте вращения; б) – мощность потребителя больше мощности двигателя (заглохание двигателя)

236

Если мощность потребителя на рассматриваемом скоростном режиме увеличивается и достигает значений, превышающих значения мощности, развиваемой двигателем (кривая Nп на рис. 10. 4, б), то совместная работа двигателя и потребителя становится невозможной, так как двигатель на всех скоростных режимах развивает мощность меньшую, чем требуется потребителю. В этом случае частота вращения вала системы прогрессивно уменьшается до полной остановки двигателя (двигатель глохнет).

Анализ вопроса совместной работы двигателя с потребителем показывает, насколько важно иметь ясное представление о характеристике двигателя. Добавим, что этим далеко не исчерпывается значение характеристик.

10. 1. Скоростные характеристики двигателей

Изменение величины мощности, крутящего момента, часового и удельного расходов топлива, а также других показателей двигателя в зависимости от частоты вращения вала называется скоростной характеристикой. Различают внешние и частичные характеристики.

Внешние скоростные характеристики двигателей

Характер изменения мощности двигателя в зависимости от частоты вращения вала при работе по внешней характеристике устанавливается анализом элементарного уравнения мощности двигателя (рис. 10. 6).

237

Ne = 30Vhτi pen.

Для конкретного двигателя

Vhτi = K1 = Сonst ,30

Уравнение (10. 1) – уравнение прямой, проходящей через начало координат. Согласно этому уравнению с увеличением n мощность возрастает. В действительности pe является функцией частоты вращения. Выясним характер этой зависимости. Известно, что среднее эффективное давление

pe = pi − pм,

где рi – среднее индикаторное давление;

рм – среднее давление механических потерь.

Вначале выясним, как изменяется в зависимости от частоты вращения среднее индикаторное давление.

Развернутое уравнение среднего индикаторного давления

Как известно,

Пусть в данном случае Li – индикаторная работа цикла, которую можно получить при сжигании одного кг топлива. Тогда индикаторный КПД

ηi = Li ,

Hu

откуда

Li =ηi Hu .

После подстановки последнего выражения для индикаторной работы в формулу (10. 2) получаем

238

В этом уравнении Vh представляет собой рабочий объём цилиндра, соответствующий условию сгорания одного кг топлива. Этот объём может быть выражен через другие величины.

Коэффициент наполнения

ην = GG .

пр

В данном случае под G следует понимать количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя в расчете на один кг топлива. Для двигателей с внешним смесеобразованием G = αL’0 + 1, для дизелей G = αL’0. Под Gпр (также в расчёте на один кг топлива) следует понимать количество свежего заряда, которым можно было бы наполнить цилиндры двигателя при условии, что параметры состояния рабочего тела в конце наполнения остались бы равными параметрам состояния перед органами впуска

Gпр =γ 0 Vh .

Подставив последнее значение в формулу для коэффициента наполнения, получим

После подстановки полученного значения Vh в уравнение (10. 3) получим развернутое уравнение для среднего индикаторного давления:

Таким образом,

рi = f (ηi ,ηv ,γ o ,α) .

Зависимость среднего эффективного давления от частоты вращения

Индикаторный КПД ηi и коэффициент избытка воздуха α, входящие в выражение для определения количества свежего заряда G, при работе двигателя по внешней скоростной характеристике изменяются практически мало. И это позволяет принять α = const, ηi = const. Тогда в соответствии с уравнением

(10. 4) рi как функция частоты вращения изменяется так же, как и ηv то есть, pi = K3 ηv ,

где

239

K3 =ηiγ o Hu .

G

Характер изменения ηv = f(n) рассмотрен при анализе особенностей протекания процесса впуска. Зависимость ηv и рi от частоты вращения изображена на графике на рис. 10. 7. Обозначим частоту вращения, при которой ηv и, следовательно, рi имеют максимум, через nv.

Учитывая линейную зависимость рM от частоты вращения, уравнение для среднего эффективного давления можно переписать в следующем виде:

Графики изменения рM и рe в зависимости от частоты вращения изображены на (рис. 10. 7). Среднее эффективное давление рe получается методом геометрического вычитания согласно уравнению (10. 5). Обозначим частоту вращения, при которой рe имеет максимум, через nM. Как следует из графического построения, всегда соблюдается неравенство nM < nV.

Выяснив характер изменения рe = = f(n) перестраиваем его график (рис. 10. 6). Согласно уравнению Ne = K1рen после графического умножения находим истинную кривую изменения эффективной мощности Ne в зависимости от частоты вращения (на рис. 10. 6 – сплошная ли-

ния). Обозначим частоту вращения, при которой мощность достигает максимального значения, через nN. Точка, соответствующая экстремальному значению мощности, обусловлена прогрессивным уменьшением ηv и повышением механических потерь pM.

Крутящий момент. Покажем, что при частоте вращения nM двигатель развивает наибольший крутящий момент.

Ne = 9550Mn , кВт.

С другой стороны,

Ne = p30eVhτin , кВт.

После приравнивания правых частей записанных выражений имеем

240