14.2.1. Поняття про характеристики

Призначення двигуна – виробляти механічну енергію, яка може бути використана для привода в дію будь-якої машини, агрегату або вузла. Таким чином, машина або силова передача, що приводиться двигуном у дію, споживає механічну енергію, і вона є споживачем механічної енергії, або просто споживачем.

В умовах експлуатації споживачу від двигуна потрібна різна потужність при різних швидкісних режимах його роботи. Особливо широкі межі зміни потужності і частоти обертання вала спостерігаються при експлуатації автомобільних і тракторних двигунів.

Навантаження, частота обертання вала і регулювальні параметри двигуна визначаються умовами експлуатації споживача й, тому, можуть бути віднесені до основних експлуатаційних факторів.

До основних показників роботи двигуна відносяться: потужність, крутний момент, годинна і питома витрати палива.

Характеристики ДВЗ (14.1) виявляються, або, як прийнято говорити, знімаються при випробуванні або дослідженні працюючого двигуна на спеціальному стенді. До складу устаткування й приладів такого стенда входять гальмо й пристрої для виміру крутного моменту, витрат палива й повітря, частоти обертання вала двигуна. Гальмо дозволяє імітувати навантаження двигуна тим або іншим споживачем (трактором, автомобілем, судном, комбайном).

14.1. Характеристика ДВЗ (адреса файлу Блок 4) Характеристика ДВЗ – зміна величини одного або декількох показників роботи двигуна залежно від якого-небудь експлуатаційного фактора.

Як правило, характеристики знімаються на сталих режимах роботи (14.2) двигуна. Під сталим режимом роботи двигуна розуміється такий режим, при якому забезпечується практична сталість показників його роботи, які піддані деяким коливанням від середніх значень. Ці коливання визначаються умовами навантажування, які не дозволяють одержати зовсім стаціонарні навантаження двигуна.

14.2. Сталий режим роботи (адреса файлу Блок 4) Сталий режим роботи– режим, при якому крутний момент, частота обертання колінчастого вала двигуна, температура охолоджувальної рідини, масла, а для двигунів повітряного охолодження і температура двигуна змінюються за час виміру не більш, ніж на ±2%.

Звичайно характеристики приводяться у вигляді графіків, які побудовані у прямокутній системі координат: у якості незалежної змінної (аргументу) розглядається той або інший експлуатаційний фактор, а як функція розглядаються показники роботи двигуна.

Для аналізу роботи автотракторних двигунів внутрішнього згоряння використовуються різні характеристики. Серед них слід зазначити в першу чергу наступні:

• швидкісна;

• навантажувальна;

• регулювальна;

• регуляторна.

Крім цих основних характеристик, для двигунів іншого призначення можуть використовуватися спеціальні: тепловозна, гвинтова й ін.

Для двигунів наземного транспорту основною характеристикою є швидкісна.

При проектуванні двигунів деякі характеристики можуть бути отримані в результаті розрахунку (швидкісні і навантажувальні), хоча й у цьому випадку багато параметрів визначаються за емпіричними залежностями, які отримані на підставі обробки великого числа дослідних даних.

32.

Розрізняють зовнішню і часткові швидкісні характеристики (14.3).

14.3. Швидкісна характеристика (адреса файлу Блок 4) Швидкісна характеристика – залежність зміни потужності, крутного моменту витрати палива та питомої витрати палива від частоти обертання колінчастого вала двигуна.

Зовнішню швидкісну характеристику (ЗШХ) (14.4) одержують при повному відкритті дросельної заслінки у бензинових ДВЗ чи при положенні рейки паливного насоса дизеля, що відповідає повному навантаженню. Характеристика, що отримана при будь-якому фіксованому положенні органа керування подачею палива, яке не відповідає максимальному значенню циклової подачі, називається частковою швидкісною характеристикою (14.5).

14.4. Зовнішня швидкісна характеристика (адреса файлу Блок 4) Зовнішня швидкісна характеристика – залежність зміни параметрів ДВЗ від частоти обертання колінчастого вала двигуна при повному навантаженні на двигун.

14.5. Часткова швидкісна характеристика (адреса файлу Блок 4) Часткова швидкісна характеристика – залежність зміни параметрів ДВЗ від частоти обертання колінчастого вала двигуна при будь-якому фіксованому положенні органа керування подачею палива, яке не відповідає максимальному значенню подачі палива.

Типові характеристики двигунів внутрішнього згоряння мають вид, що представлений на рис.14.1 (бензинові двигуни) і рис.14.2 (дизелі).

Рисунок 14.1. Типові ЗШХ бензинових двигунів

Рисунок 14.2. Типові ЗШХ дизельних двигунів

З достатнім ступенем точності зовнішні швидкісні характеристики можна побудувати за результатами теплового розрахунку для режиму максимальної потужності двигуна. Діапазон змін швидкості обертання лежить в інтервалі від 600÷1000 хв^-1 до 1,2·n_N для бензинових двигунів і від 350÷800 хв^-1 до n_N для дизелів.

Залежність потужності двигуна від швидкості його обертання можна виразити наступним узагальненим вираженням (рівняння Р.Лейдермана):

де N_i – поточне значення потужності двигуна, кВт;

N_e – номінальна потужність двигуна, кВт;

n_i – поточне значення частоти обертання колінчастого вала, хв^-1;

a, b, c – коефіцієнти, які рекомендовані до того чи іншого типу двигуна.

Для бензинових двигунів приведене вираження спрощується і набуває вид:

Для дизелів з нерозділеними камерами згоряння рекомендується залежність:

або

- для передкамерних дизелів:

- для вихрокамерних дизелів:

Необхідно відмітити, що сучасні ДВЗ завдяки електронним системам керування (впорскуванням, наддувом) мають ЗШХ, які неможливо такими виразами (рис.14.4,14.5).

Питома ефективна витрата палива визначається за наступними рівняннями:

• для бензинових двигунів:

• для дизелів:

Рисунок 14.3. Зовнішня швидкісна характеристика ДВЗ Mercedes Benz C 220 CDI

Рисунок 14.4. Зовнішня швидкісна характеристика ДВЗ Renault F4R

Часткові швидкісні характеристики карбюраторних і дизельних двигунів представлені на рис.14.5. При переході двигуна на часткову характеристику індикаторна потужність зменшується, питома ефективна витрата палива збільшується (рис.14.6). Для однакових частот обертання робота двигуна за частковою характеристикою менш економічна.

Таким чином, двигун невигідно використати на часткових навантаженнях. В умовах експлуатації доцільно забезпечити роботу двигуна за ЗШХ.

Рисунок 14.5. Часткові швидкісні характеристики бензинового (а) і дизельного (б) ДВЗ

Рисунок 14.6. Залежність ефективної потужності та питомої витрати палива від частоти обертання при роботі ДВЗ за зовнішньою (1) та частковою (2-5) швидкісними характеристиками

Відношення

де M_Кmax – максимальне значення крутного моменту, Н·м;

M_КN – значення крутного моменту на номінальному режимі, Н·м,

називається коефіцієнтом пристосовності двигуна до зовнішнього навантаження за крутним моментом (14.6). Коефіцієнт пристосовності за моментом характеризує властивість двигуна переборювати зростання моменту опору без необхідності включення нижчої передачі. к_М є важливим показником роботи двигуна. Він показує, у скільки разів збільшується крутний момент двигуна при зменшенні частоти обертання від n_N до n_М під впливом збільшеного моменту опору.

14.6. Коефіцієнт пристосовності двигуна до зовнішнього навантаження за крутним моментом (адреса файлу Блок 4) Коефіцієнт пристосовності двигуна до зовнішнього навантаження за крутним моментом – відношення максимального крутного моменту до крутного моменту на номінальному режимі при роботі двигуна за ЗШХ.

Двигуни з примусовим запалюванням характеризуються більшим значенням к_М. Для тракторних й автомобільних двигунів коефіцієнт пристосовності за моментом к_М коливається у межах 1,07÷1,15 для дизелів і 1,2÷1,35 – для двигунів з примусовим запалюванням. Зміною регулювання паливного насоса та спеціальним настроюванням турбокомпресора у дизелях можуть бути досягнуті більш високі значення к_М (до 1,5).

Відношення

де n_М – значення частоти, що відповідає максимальному крутному моменту, хв^-1,

називається коефіцієнтом пристосовності двигуна до зовнішнього навантаження за частотою обертання (14.7). Цей коефіцієнт показує, у скільки разів зменшується частота обертання вала двигуна під впливом зростання моменту опору при зміні крутного моменту двигуна від M_КN до M_Кmax. Отже, коефіцієнт пристосовності за частотою обертання оцінює втрату швидкості транспортної машини за тих самих умов при незмінному передаточному числі силової передачі.

14.7. Коефіцієнт пристосовності двигуна до зовнішнього навантаження за частотою обертання (адреса файлу Блок 4) Коефіцієнт пристосовності двигуна до зовнішнього навантаження за частотою обертання – відношення номінальної частоти обертання колінчастого вала до частоти обертання при максимальному крутному моменті при роботі двигуна за ЗШХ.

Двигуни із зовнішнім сумішоутворенням у порівнянні з дизелями характеризуються більшими значеннями к_n. Для автотракторних двигунів цей коефіцієнт перебуває в межах від 1,2÷1,6 для дизелів і від 1,5÷2,5 – для двигунів із зовнішнім сумішоутворенням.

ПИТАННЯ 14.1. Як Ви вважаєте, для яких двигунів значення коефіцієнта пристосовності двигуна до зовнішнього навантаження за частотою обертання вище?

А) для ДВЗ з примусовим запалюванням;

Б) для дизелів.

У теорії ДВЗ часто використовують інший параметр – швидкісний коефіцієнт (14.8) к_с, який зворотно пропорційний к_n:

14.8. Швидкісний коефіцієнт (адреса файлу Блок 4) Швидкісний коефіцієнт – відношення частоти обертання колінчастого вала при максимальному крутному моменті до номінальної частоти при роботі двигуна за ЗШХ.

Коефіцієнт запасу крутного моменту μ_М визначають за формулою:

33.