книги из ГПНТБ / Багиров Д.Д. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин

щения холостого хода, т. е. происходит резкий переход с на­ грузочного на тормозной режим (рис. 15). Переход с нагру­ зочного на тормозной режим сопровождается резким падением температурного режима двигателя, что влечет за собой ин­

цесса двигателя, чрезмерным дымлением, повышенным нагарообразованием. Большие нагрузки на детали при ухудшении усло­ вий смазки и охлаждения также снижают надежность работы дви­ гателя.

Сопротивление передвижению м о т о р н о г о к а т к а в те­ чение одного прохода остается примерно постоянным, а следова­ тельно, остается постоянным и режим работы двигателя. Однако при реверсировании машины возникают пики нагрузки и момент сопротивления может значительно превысить максимальный кру­ тящий момент двигателя. Тем не менее ввиду кратковременности реверсирования эти пики не оказывают существенного влияния

постоянной нагрузке. Колебания момента сопротивления в этом случае, как правило, имеют высокую частоту, очень кратковре­ менны и практически не отражаются на работе двигателя, так как преодолеваются за счет инерции движущихся масс.

клический характер. После заполнения бункера машины двига­

и в том и другом случае двигатели работают при постоянном на­ грузочном и скоростном режиме.

4« Параметры, оценивающие режим нагрузки

На выходные показатели двигателя влияют величина и харак­ тер изменения внешней нагрузки и изменение скоростного режима. Разнообразие режимов нагрузки и их ‘незакономерный характер

27

приводят к необходимости ввести ряд оценочных параметров, с помощью которых можно бы было сравнивать режимы работы двигателей, установленных на различных машинах и работающих в различных условиях. Очевидно, что показатели работы двига­ теля в большой мере зависят от нагрузочного режима двигателя, который характеризуется средним за цикл нагрузки моментом сопротивления вращению коленчатого вала Мср.

где Мт1п — минимальный за цикл нагрузки момент сопротив­ ления.

Однако, как показывает анализ нагрузочных диаграмм, коле­ бание момента за цикл нагрузки в подавляющем большинстве случаев происходит многократно, поэтому целесообразно ввести понятие о среднем максимальном и среднем минимальном момен­ тах, которые могут быть определены как среднеарифметические (с учетом выступов и впадин на нагрузочной диаграмме)

где Mj max и Mj min — максимальное и минимальное значения момента сопротивления;

т— количество выступов или впадин на кри­ вой изменения момента за цикл нагрузки.

Тогда средняя амплитуда колебания момента

Для оценки нагрузочного режима бывает важно определить также и текущее значение амплитуды колебания момента:

2AM = M imax M lmax,

где Mt-max и Мг mln — максимальное и минимальное текущие зна­ чения момента по соседним выступу и впадине на нагрузочной диаграмме.

28

Абсолютные значения изменения момента сопротивления ха­ рактеризуют только определенный тип машины и установленный на ней двигатель и не позволяют сравнивать между собой нагрузоч­ ные диаграммы двигателей различных машин. Поэтому необ­ ходимо перейти к относительным критериям, характеризующим изменение момента сопротивления. Такими критериями являются максимальная степень неравномерности:

X __ 2 ДМтах

т а х - Мср '

средняя степень неравномерности момента сопротивления:

а также коэффициент загрузки двигателя:

где М ен — номинальный крутящий момент двигателя. Колебания момента сопротивления за рабочий цикл машины

отражаются на скорости вращения коленчатого вала, мощности и топливной экономичности двигателя. Однако благодаря инерци­ онности двигателя изменение скорости вращения коленчатого вала происходит с определенным отставанием от изменения момента сопротивления. При значительной частоте колебания момента, несмотря на большую амплитуду, частота вращения коленчатого вала не успевает изменяться и устанавливается на каком-то среднем значении. При малой частоте колебания момента изме­ нение скоростного режима почти не отстает от изменения момента и происходит плавно. Это приводит к тому, что двигатель работает практически на установившемся режиме и существенных наруше­ ний в его работе не происходит. Все это свидетельствует о том, что для оценки нагрузочного режима двигателя важную роль играет частота колебаний момента сопротивления или период его колебаний. Ввиду того что колебания момента сопротивления вращению коленчатого вала двигателей большинства строитель­ ных и дорожных машин имеют незакономерный характер, целе­ сообразно ввести средний за нагрузочный цикл период колебания нагрузки:

т

£ Ті

где Tt — время между двумя соседними пиками нагрузки; пг — количество пиков за нагрузочный цикл.

29

Г Л А В А III

МОЩНОСТЬ И ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ

I« Причины, вызывающие нарушение работы двигателей с неустановившейся нагрузкой

Изменение скоростного и нагрузочного режима двигателя отражается на его рабочем процессе, на работе системы питания двигателя. Работа на неустановившемся режиме связана также с нарушением работы системы смазки, что отражается на механи­ ческих потерях и темпе износа деталей двигателя. Колебание нагрузки вызывает возникновение дополнительных ударных уси­ лий на детали и механизмы двигателя, уменьшает их износостой­ кость и усталостную прочность. Колебания угловой скорости ко­ ленчатого вала, вызываемые изменением момента сопротивле­ ния, в значительной мере зависят от момента инерции движу­ щихся. масс двигателя. Наличие инерции придает двигателю «нечувствительность» к изменению внешней нагрузки. Следова­ тельно, увеличение момента инерции ведет к стабилизации ско­ ростного режима и благоприятно отражается на выходных пока­ зателях двигателя. Однако увеличенный момент инерции за­ трудняет пуск двигателя и отрицательно сказывается на его разгонных качествах.

Нарушение рабочего процесса двигателей.; Как известно, рабо­ чий процесс двигателя состоит из впуска, сжатия, сгорания и выпуска. От характера протекания отдельных процессов зависит мощность, топливная экономичность, износостойкость и другие эксплуатационные показатели двигателя.

Колебание скоростного режима двигателя приводит к пуль­ сации скорости движения воздуха или горючей смеси и вызывает дополнительные сопротивления во впускном тракте двигателя. Это отражается на наполнении цилиндров свежим зарядом от­ рицательно, но иногда вследствие инерционного наддува может улучшить наполнение.

При неустановившемся скоростном режиме вследствие инер­ ционности потока во впускном трубопроводе изменение его ско­ рости отстает от изменения скорости вращения коленчатого вала. Это отражается на инерционном наддуве. При разгоне коленча­ того вала рост частоты вращения происходит быстрее увеличения скорости потока во впускном тракте. Это приводит к уменьше­ нию инерционного наддува и ухудшению наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом. При торможении коленчатого вала наполнение цилиндров по этой причине улучшается.

Каждому скоростному и нагрузочному режиму двигателя должно соответствовать определенное тепловое состояние, т. е. определенная температура его деталей. При установившейся

31

работе двигателя через определенное время его тепловой режим стабилизируется в соответствии с нагрузкой и скоростью вращения коленчатого вала. При резком изменении момента сопротивления и угловой скорости коленчатого вала температура деталей дви­ гателя оказывается несоответствующей скоростному и нагрузоч­ ному режиму. Это явление известно под названием «тепловая инерция». Так как за рабочий цикл машины, разгон и торможение коленчатого вала совершаются неоднократно, то это приводит к тому, что двигатель работает при какой-то установившейся температуре деталей, которая в каждый момент времени не соот­ ветствует скоростному и нагрузочному режиму. Это несоответ­ ствие отражается на подогреве воздуха или горючей смеси во впускном тракте и камере сгорания, что приводит к изменению состава смеси и сказывается на наполнении цилиндров, смесеоб­ разовании и сгорании.

У дизеля помимо перечисленных факторов при неустановив­ шемся режиме на процесс смесеобразования влияет также и не­ которое ухудшение качества распыла топлива, а также наруше­ ние подачи топлива из-за возникновения пульсаций в топливопро­ воде высокого давления, связанное с неустановившимся скорост­ ным режимрм топливного насоса.

Смесеобразование в карбюраторном двигателе осуществляется в основном вне камеры сгорания и продолжается значительно дольше, чем в дизеле. Поэтому влияние неустановившегося ре­ жима на качество смесеобразования в нем отражается существен­ нее. Наличие тепловой инерции в карбюраторном двигателе при­ водит к тому, что подогрев горючей смеси во впускном коллекторе оказывается неоптимальным, а это вызывает изменение количества топливной пленки во впускном трубопроводе по сравнению с ее количеством при установившемся режиме. Топливная пленка движется по стенкам трубопровода медленнее основного потока смеси и попадает в цилиндры двигателя значительно позже, чем основной поток. Это приводит к тому, что коэффициент избытка воздуха а при работе двигателя на неустановившемся режиме нестабилен. Конденсация топлива и последующее его испарение в коллекторе также приводит к изменению наполнения цилиндров двигателя горючей смесью.

На интенсивность образования топливной пленки влияет свя­ занная с колебаниями скорости потока смеси нестабильность гидравлического сопротивления во впускном тракте. Ухудшение наполнения цилиндров вызывается также пульсацией воздушного потока из-за постоянного изменения положения дроссельной заслонки при неустановившемся режиме.

На смесеобразовании в карбюраторном двигателе сказывается и то, что из-за большего, чем воздух, удельного веса, частицы топлива более инерционны, чем частицы воздуха. Поэтому при разгоне увеличение подачи воздуха опережает увеличение подачи 1 топлива. Это приводит к обеднению горючей смеси. При торможе-

3 2

мии коленчатого вала происходит обратное явление, и горючая смесь обогащается.

Нарушение смесеобразования в карбюраторном двигателе при неустановившемся режиме происходит также и в результате запаздывания подачи дополнительной порции топлива насосомускорителем из-за его инерционности. В связи с этим при резком открытии дроссельной заслонки карбюратора вначале горючая смесь обедняется, а затем обогащается. Однако при резко перемен­ ном скоростном режиме двигателя и быстром изменении положе­ ния дроссельной заслонки подача дополнительной порции то­ плива может произойти с некоторым запаздыванием, а это приведет к переобогащению смеси и снижению показателей дви­ гателя.

Качество сгорания в большой степени зависит от нагрузочного и скоростного режима двигателя. Сгорание зависит от состава смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Переобогащение или переобеднение смеси, как известно, ухудшают условия сгорания. Ухудшает сгорание также и топливо, находящееся в камере сго­ рания в жидкой фазе. Поэтому попадание в цилиндры карбюратор­ ного двигателя топливной пленки и снижение качества распыла топлива в дизеле ухудшают горение. Нарушение смесеобразова­ ния и изменение состава смеси, вызванные неустановившимся режимом, отрицательно сказываются на эффективности сгорания, увеличивают его продолжительность, приводят к неполному сгоранию топлива. Это снижает мощность двигателя и ухудшает его топливную экономичность.

Процесс сгорания в дизеле зависит от соответствия угла опе­ режения впрыска топлива скорости вращения коленчатого вала. При слишком большом угле опережения впрыска топливо попадает в камеру сгорания при сравнительно низкой температуре и давле­ нии воздуха. Это приводит к ухудшению качества распыла и уве­ личению периода подготовки топлива к сгоранию. В результате повышается «жесткость» работы двигателя, ’снижается активность процесса сгорания и увеличиваются нагрузки на детали двига­ теля. Слишком малый угол опережения впрыска приводит к тому, что сгорание смеси заканчивается при расширении смеси. В ре­ зультате этого повышается температура выпускных газов и уве­ личивается теплоотдача в охлаждающую среду через стенки ци­ линдров, что приводит к снижению к. п. д., ухудшению топливной экономичности и перегреву двигателя. Так как угол опережения впрыска подбирается для двигателя на определенную расчетную частоту вращения коленчатого вала, то при неустановившемся скоростном режиме дизеля наблюдается постоянное несоответ­ ствие угла опережения впрыска топлива его оптимальному зна­ чению, а это отражается на показателях двигателя.

В карбюраторном двигателе большое влияние на сгорание ока­ зывает установка угла опережения зажигания. Слишком большой угол опережения зажигания (раннее зажигание) приводит к тому,

что сгорание начинается до прихода поршня в в. м. т. Это обус­ ловливает детонационное сгорание и вызывает снижение мощности, перерасход топлива и чрезмерные ударные нагрузки на детали двигателя. Слишком малый угол опережения (позднее зажигание) приводит к догоранию топлива при расширении и вызывает, как и у дизеля, ухудшение выходных показателей и перегрев двигателя.- Угол опережения зажигания в карбюраторном двигателе корректируется в зависимости от скоростного и нагрузочного режима автоматически с помощью центробежного и вакуумного автоматов прерывателя-распределителя. Однако при резко пере­ менном режиме, свойственном двигателям строительных и дорож­ ных машин, инерционность автомата опережения зажигания приводит к отставанию изменения угла опережения зажигания от изменения нагрузки и скорости вращения коленчатого вала. Это влечет за собой нарушение сгорания и ухудшение показате­ лей двигателя.

На наполнение цилиндров и сгорание в значительной степени влияет количество остаточных газов. Остаточные газы уменьшают наполнение цилиндров и изменяют состав горючей смеси в камере сгорания. Количество остаточных газов зависит от скоростного режима двигателя, сопротивления выпускного тракта и фаз газо­ распределения. Очевидно, что постоянное изменение скоростного режима приводит к повышению сопротивления выпускного тракта и несоответствию фаз газораспределения частое вращения колен­ чатого вала аналогично тому, как это имеет место при впуске. Таким образом, неустановившийся режим работы отрицательно отражается на рабочем процессе двигателя также и за счет ухуд­ шения очистки цилиндров.

Нарушение работы системы регулирования подачи топлива*

Большинство двигателей строительных и дорожных машин снаб­ жено всережимными регуляторами частоты вращения. При изме­ нении нагрузки регулятор автоматически изменяет подачу топлива (или горючей смеси у карбюраторного двигателя) так, чтобы под­ держивать заданную частоту вращения коленчатого вала. На дви­ гателе устанавливают, как правило, центробежный регулятор частоты вращения, вал которого через шестеренную передачу вращается от коленчатого вала двигателя. При установившемся режиме каждому значению частоты вращения коленчатого вала соответствует строго определенное положение грузов регулятора, связанной с ними муфты регулятора и рейки топливного насоса (или дроссельной заслонки), устанавливающей подачу топлива (или горючей смеси). Однако при резком изменении скоростного режима двигателя регулятор срабатывает с запаздыванием, из-за инерционности, и положение рейки топливного насоса не соответ­ ствует мгновенному значению частоты вращения коленчатого вала. Это несоответствие отражается на показателях двигателя.

При возрастании нагрузки частота вращения коленчатого вала уменьшается и регулятор перемещает рейку топливного

34

насоса в положение большей подачи топлива для поддержания стабильности частоты вращения. Однако вследствие запаздыва­ ния увеличения подачи топлива из-за инерционности регулятора и корректора снижение частоты вращения коленчатого вала ока­ жется более значительным, чем снижение при работе с устано­ вившейся нагрузкой.

При снижении момента сопротивления и разгоне двигателя инерционность регулятора и корректора подачи топлива приводит к запаздыванию уменьшения подачи топлива. Таким образом, при разгоне инерционность регулятора и корректора способствует более интенсивному возрастанию частоты вращения коленчатого вала.

Быстрое чередование торможения и разгона коленчатого вала, связанное с резким возрастанием и снижением момента сопротив­ ления, характерное для работы многих строительных и дорожных машин, может привести к эффекту «перерегулирования». «Перере­ гулирование» может произойти в случае, когда отставание реак­ ции регулятора на изменение скоростного режима станет настолько значительным, что перемещение рейки топливного насоса будет соответствовать уменьшению подачи топлива при уже начавшемся возрастании нагрузки. «Перерегулирование» приводит к резкому снижению выходных показателей двигателя и даже к его заглоханию.

Нарушение подачи топлива (или горючей смеси у карбюра­ торного двигателя) из-за .ненормальной работы регулятора ча­ стоты вращения и корректора подачи топлива влечет за собой из­ менение смесеобразования и сгорания. Это усугубляет влияние неустановившегося режима на выходные показатели двига­ теля.

Увеличение механических потерь* Рядом исследователей уста­ новлено, что при неустановившемся режиме нарушается гидроди­ намический режим смазки трущихся поверхностей из-за инер­ ционности столба жидкости в масляной магистрали и нарушения работы масляного насоса [11]. Это обстоятельство совместно с тепловой инерцией сказывается на значении сил трения. Нару­ шение смазки и теплового режима, кроме того, отражается на мощности, требуемой для привода вспомогательных механизмов двигателя. Изменение плотности среды в картере и возрастание аэродинамических потерь во впускном и выпускном трактах при­ водят к увеличению насосных потерь. Изменение инерционных сил также отражается на значении механических потерь. Кроме того, ввиду нарушения рабочего процесса при неустановив­ шейся нагрузке изменяются силы давления газов. Поэтому отно­ сительные механические потери в двигателе, работающем при не­ установившейся нагрузке, должны быть выше их значения при установившейся нагрузке.

2« Изменение показателей двигателей под влиянием неустановившегося режима нагрузки

Для того чтобы судить об эффективности работы двигателя, необходимо знать зависимость основных энергетических и эконо­ мических показателей (мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление, часовой и удельный расход топлива) от скорости вращения коленчатого вала и нагрузки. Эти зависимости называются характеристиками двигателя и определяются в ре­ зультате лабораторных испытаний. Так как на работе двигателей в большой степени отражается скоростной режим, то представляет интерес зависимость показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала.

Каждая точка скоростной характеристики определяется при заданном установившемся значении внешней нагрузки и скорости коленчатого вала. Поэтому такая характеристика может быть названа статической.

Скоростная статическая характеристика двигателя показана на рис. 17. Рассмотрим скоростную статическую характеристику и ряд характерных ее точек, определяющих условия работы дви­ гателя. Двигатель внутреннего сгорания не может работать под нагрузкой при малой частоте вращения коленчатого вала, так как при этом усиленная теплоотдача, прорыв газов через поршневые кольца, несоответствие фаз газораспределения скоростному ре­ жиму приводят к резкому уменьшению наполнения цилиндров и нарушению сгорания. Поэтому существует предел частоты вращения коленчатого вала, при котором двигатель может устой­

шается наполнение цилиндров, сгорание становится более со­ вершенным, что приводит к интенсивному росту мощности и кру­ тящего момента (пропорционально росту среднего эффективного давления). Точка 2 соответствует работе двигателя с максимальным крутящим моментом.

Дальнейшее увеличение частоты вращения приводит к ухуд­ шению наполнения и росту механических потерь. Прирост мощ­ ности продолжается, так как в единицу времени происходит все больше циклов, но из-за ухудшения качества каждого цикла этот прирост становится менее интенсивным. По отмеченным причинам наблюдается уменьшение среднего эффективного давле­ ния, а следовательно, и крутящего момента.

В точке 3 двигатель развивает максимальную мощность. Дальнейший рост частоты вращения приводит к снижению не только крутящего момента, но и мощности..

Точка 4 характерна тем, что вся развиваемая двигателем мощ- 'ность затрачивается на преодоление механических потерь. Частота вращения, соответствующая точке 4, носит название «раз­ носной»,

36