Совместная работа ДВС с нагрузочным устройством. Характеристики работы ДВС.

Регулировочные характеристики представляют собой зависи­мости основных показателей двигателя от значения одного или нескольких из регулировочных параметров при постоянной часто­те вращения коленчатого вала.

Регулировочные характеристики получают для ряда скорост­ных и нагрузочных режимов с целью оценить качество рабочего процесса и определить предельные мощностные, экономические и экологические показатели двигателя на исследуемых режимах, выбрать и оценить регулировочные параметры систем двигателя, определить характер их изменения на различных режимах.

Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыс­кивания топлива является зависимостью основных показателей дизеля от угла опережения впрыскивания φ_о.вп при постоянной частоте вращения коленчатого вала и постоянной цикловой подаче топлива, что предопределяет постоянство наполнения и состава смеси.

Характер изменения основных параметров по углу опережения впрыскивания дизеля подобен их изменению в характеристике по углу опережения зажигания. Для снижения тепловых и механи­ческих нагрузок, как правило, φ_о.вп< φ_{о.вп.опт}.

2.2. Нагрузочной характеристикой называется зависимость основ­ных показателей двигателя от параметра, характеризующего его нагрузку (N_e, М_к, р_е) при постоянной частоте вращения.

Нагрузочная характеристика позволяет описать работу двига­теля при движении автомобиля с постоянной скоростью на од­ной передаче и переменном дорожном сопротивлении.

Основными показателями двигателя по нагрузочной характе­ристике являются G_т и g_e. Кроме того, определяемыми показате­лями могут быть: коэффициент наполнения, коэффициент избытка воздуха, угол опережения зажигания или угол опережения впрыс­кивания, температура отработавших газов, концентрация токсич­ных компонентов в отработавших газах, а для дизелей – допол­нительно дымность.

Левая крайняя точка характеристики соответствует режиму хо­лостого хода для заданной частоты вращения.

Правая крайняя точка характеристики соответствует максималь­ной нагрузке (N_emax), которую двигатель может преодолеть при дан­ной частоте вращения (двигатели с искровым зажиганием), или ее значению при положении регулирующего органа на упоре (ди­зели). Она соответствует точке внешней скоростной характерис­тики для заданной частоты вращения двигателя.

Нагрузочная характеристика может быть построена и по ре­зультатам снятия регулировочных характеристик по составу смеси. Она называется характеристикой оптимального регулирования. При ее сравнении с нагрузочной характеристикой, полученной экспе­риментально, можно оценить качество регулировок систем пода­чи топлива и зажигания.

На кривых нагрузочной характеристики обычно фиксируют следующие характерные точки: минимальный удельный расход топлива g_emin и соответствующие ему значения нагрузки и α; ча­совой расход топлива G_т и α на холостом ходу; N_emax.

При снятии нагрузочной характеристики дизеля нагрузку изме­няют варьированием цикловой подачи топлива, т.е. перемещени­ем рейки топливного насоса.

В дизеле без наддува (рис. 7.3, б) при уменьшении нагрузки:

• увеличивается коэффициент избытка воздуха α, снижаются ча­совой расход топлива G_т, количество теплоты, выделяющейся при сгорании, температура отработавших газов Т_r, дымность отрабо­тавших газов D_x;

• часовой расход воздуха G_в, несколько увеличивается из-за сни­жения степени его подогрева;

• увеличивается η_i из-за роста α; однако на очень малых нагруз­ках η_i может уменьшаться из-за ухудшения качества процессов впрыскивания и распыливания топлива;

• удельный эффективный расход топлива g_e уменьшается из-за повышения α и η_i, достигая минимума при 70...80% нагрузки, а на малых нагрузках – увеличивается в связи с уменьшением η_M.

В дизеле с турбонаддувом (рис. 7.3, в) при уменьшении нагрузки:

• снижается расход воздуха G_в в связи с падением температуры отработавших газов перед турбиной Т_т, уменьшением располагае­мой работы газа, что приводит к снижению частоты вращения турбины и компрессора;

• коэффициент избытка воздуха а увеличивается более плавно из-за снижения G_в;

• уменьшается коэффициент наполнения η_V из-за снижения р_к и Т_к;

• более интенсивно растет g_e на малых нагрузках, что связано с увеличением затрат на работу газообмена. Исходя из этого целесо­образно регулирование турбонаддува на малых нагрузках.

Предел форсирования дизеля по нагрузке определяется дымностью отработавших газов или тепловой напряженностью дета­лей. Так как дизель с турбонаддувом на средних и высоких часто­тах вращения имеет большие значения а, то предел его форсиро­вания определяется тепловой напряженностью деталей в цилинд­ре и колесах турбины.

2.3. Скоростная характеристика представляет собой зависимость основных показателей двигателя от частоты вращения коленчато­го вала при неизменном положении органа управления двигателем.

Внешняя скоростная характеристика определяется при полном открытии дроссельной заслонки или при положении органа уп­равления подачей топлива, которое обеспечивает получение но­минальной мощности дизеля.

Частичные скоростные характеристики снимают при промежу­точном положении органа управления двигателем.

Внешняя скоростная характеристика соответствует работе дви­гателя автомобиля, движущегося в условиях переменного дорож­ного сопротивления, но при постоянном и предельном положении органа управления, например при разгоне автомобиля.

Внешняя скоростная характеристика является основной пас­портной характеристикой двигателя. По методике, установленной государственным стандартом, в зависимости от укомплектованности двигателя устройствами и оборудованием, определяют:

• мощность нетто при укомплектовании двигателя серийным оборудованием по стандарту (вентилятором, генератором, возду­хоочистителем, глушителем и др.), а регулировки соответствуют техническим условиям; отключают лишь вспомогательные систе­мы автомобиля (компрессор тормозной системы, насос; гидро­усилителя рулевого управления, компрессор кондиционера и т.д.);

• мощность брутто – допускается отключать или снимать неко­торые устройства, обслуживающие двигатель, а также использовать оптимальные (а не штатные) регулировки отдельных его си­стем.

Мощность брутто больше мощности нетто.

Для сопоставления результатов испытаний, полученных при раз­ных атмосферных условиях, мощностные показатели двигателей N_e, М_к и р_е приводят к стандартным атмосферным условиям: атмос­ферное давление В₀= 100 кПа (750 мм рт. ст.), температура воздуха T₀ = 298 К, парциальное давление сухого воздуха р_в = 99 кПа, темпе­ратура топлива (для дизелей) T_т0 = 298 К.

Показатели N_e0, М_к0 и р_е0 вычисляют умножением полученных экспериментально значений на поправочный коэффициент.

Внешняя скоростная характеристика дизеля снимается в диапа­зоне частот вращения от п_min до п_ном. Далее, от п_ном до п_xmax, распо­лагается регуляторная ветвь характеристики (рис. 7.5). При работе дизеля по внешней скоростной характеристике рейка топливного насоса находится на упоре, а по регуляторной ветви рейкой умень­шают цикловую подачу топлива.

При затяжке пружины регулятора меньше максимальной оп­ределяют частичные скоростные характеристики.

Особенности изменения М_к по внешней скоростной характери­стике определяются изменением комплекса параметров (η_i/α) η_Vρ_кη_м.

При формировании внешней скоростной характеристики ди­зеля изменение α является одним из основных управляющих фак­тoров. Воздействуя на цикловую подачу топлива V_ц, можно обес­печить любой характер изменения α.

 

 

16) Факторы, влияющие на величину индикаторного КПД (удельного расхода топлива).

Кроме теоретически неизбежных, согласно второму закону термодинамики, потерь в двигателе наблюдаются потери тепла, обусловленные несовершенством протекания рабочих процессов (потери тепла, отдаваемые через стенки цилиндра в охлаждающую среду, потери из-за неполноты сгорания топлива, а также потери, связанные с диссоциацией продуктов сгорания). Использование тепла в действительном цикле характеризуется индикаторным КПД.

Индикаторным КПД называется отношение тепла, эквивалентного индикаторной работе L_i, к общему или располагаемому количеству теплаQ_T, внесенному в цилиндр с топливом:

в системе СИ;

Геометрические размеры цилиндра.При увеличении геометри­ческих размеров цилиндра, а значит, при увеличении рабочего объемаУ^доля потерь тепла в стенки уменьшается, вследствие чего улучшается теплоиспользование цикла. Это приводит к уве­личению индикаторного КПД и среднего индикаторного давления.

Состав смеси.Состав горючей смеси лучше всего оценивать по коэффициенту избытка воздухаа.Коэффициент избытка воз­духа оказывает решающее влияние на полноту и скорость сгора­ния. С увеличением скорости сгорания индикаторный КПД увели­чивается из-за уменьшения тепловых потерь. Цикл становится более выгодным в термодинамическом отношении, так как умень­шается степень предварительного расширения р и увеличивается степень последующего расширения . Этим создаются условия для более глубокого расширения рабочего тела и уменьшения потерь тепла с отработавшими газами.

Рис. 3. Зависимость индикаторного КПД и отношения от коэффициента избытка воздухаа.

Наибольшее значение индикаторного КПД у дизелей дости­гается при

α =2,5 − 3,5 (рис. 3). Уменьшение коэффициента из­бытка воздуха приводит к снижению индикаторного КПД из-за увеличения неполноты сгорания и затягивания процесса сгорания на линию расширения. При обогащении смеси до

α =1,15 − 1,20 достигается так называемый предел дымления, характеризующийся заметным усилением дымности выхлопа вследствие значительного ухудшения процесса сгорания. При дальнейшем обогащении смеси до значений коэффициента избытка воздуха, близких к а.=1, до­стигается максимальное значение отношения. При этом до­стигается предельно возможная мощность двигателя. Поэтому, исходя из соображений экономичности и долговечности двигателя, на практике мощность двигателя ограничивают, чем исключают возможность работы двигателя.в зоне дымления. Если коэффи­циент избытка воздухаа>3,0 − 3,5, то индикаторный КПД умень­шается. Основными причинами уменьшения индикаторного КПД являются: ухудшение качества разрежения топлива и уменьше­ние скорости его сгорания-

Атмосферные условия.При увеличении температуры воздуха и его относительной влажности и снижении барометрического дав­ления уменьшается индикаторный весовой заряд цилиндра, что вызывает уменьшение коэффициента избытка воздуха. Это в не­которых случаях может привести к работе дизеля в области пре­дела дымления. Аналогичное влияние на индикаторный КПД ока­зывают: увеличение разрежения на впуске и противодавление на выпуске.

Тепловое состояние двигателя.Увеличение температуры гиль­зы цилиндра и камеры сгорания вызывает уменьшение тепловых потерь и, следовательно, увеличение индикаторного КПД, но при этом из-за увеличения подогрева воздуха уменьшается действи­тельный весовой заряд цилиндра.

Начало подачи топлива.Угол опережения впрыска топлива оказывает значительное влияние на индикаторный КПД и среднее индикаторное давление, что связано с изменением закона подво­да тепла к рабочему телу при изменении момента начала впрыска. Изменение момента начала впрыска топлива. при неизменном его количестве приводит к перерас­пределению подвода тепла к рабочему телу. Увеличение от­ношения (величины степени повышения давления при сгора­нии к величине степени предварительного расширения) приводит к увеличению индикаторного КПД, но при этом повышаются жест­кость работы и максимальное давление сгоранияp_z.Опти­мальное значение угла опережения впрыска топлива подбирается опытным путем при доводке двигателей новой конструкции. При этом стремятся получить наиболее благоприятное сочетание между средним индикаторным давлением, индикаторным КПД, мак­симальным давлением сгорания и жесткостью работы при обеспе­чении минимально возможного расхода топлива и заданной дол­говечности двигателя. Но оптимальное значение угла опережения впрыска топлива, как правило, не соответствует максимальному значению индикаторного КПД. Для различных дизелей угол опе­режения впрыска может находиться в пределах =10–35° пово­рота коленчатого вала до в.м.т. При необходимости регулировки в условиях эксплуатации угол опережения впрыска должен уста­навливаться в пределах, указанных в технической документации для данного типа двигателей. На рис. 9.4 показан характер изменения давления в цилиндре при значительных отклонениях угла опережения впрыска от оптимального значения.

Рис. 4. Диаграммы действительных циклов:

а – при раннем впрыске топлива; б – при позднем впрыске топлива

нения давления в цилиндре при значительных отклонениях угла опережения впрыска от оптимального значения.

Давление наддува. Применение наддува позволяет повысить плотность р_кпоступившего в цилиндры воздуха и, следователь­но, увеличить удельный весовой заряд . Увеличение количе­ства воздуха, поступившего в цилиндры, позволяет увеличить цик­ловую подачу топлива. Если коэффициент избытка воздуха ос­тается неизменным, то следует ожидать увеличения среднего ин­дикаторного давления пропорционально увеличению при условии, что не изменяется индикаторный КПД, зависящий от коэффициента избытка воздуха.

Практика показала, что если при увеличении давления надду­ва плотность воздуха р_кне превышает 2 кг/м³(умеренный над­дув), то индикаторный КПД при неизменном коэффициенте из­бытка воздуха изменяется очень мало и замены топливоподающей аппаратуры не требуется.

Техническое состояние двигателя.При эксплуатации двига­телей наблюдается физический износ деталей и узлов, нарушение регулировок, появление различного рода отложений на поверхнос­тях (соли в системе охлаждения, нагарообразование в выпускной системе и на поршне, засорение фильтров).

Износ поршневых колец, поршня и зеркала гильзы цилиндра приводит к повышенным утечкам газов из рабочего объема ци­линдра и, следовательно, к снижению индикаторного КПД.

Повышение сопротивления впускного и выпускного трактов вызывает уменьшение весового заряда цилиндра, а тем самым индикаторного КПД.

Износ элементов топливоподающей аппаратуры ухудшает ка­чество распыла и смесеобразования. Нарушение регулировок и старение пружин нагнетательного клапана и форсунки приво­дит к нарушению моментов начала и конца подачи топлива в цилиндр. Все это ухудшает процесс сгорания и снижает инди­каторный КПД.

Износ деталей газораспределительного механизма приводит к нарушению процесса газообмена и к снижению коэффициента наполнения. Кроме того, износ седел и кромок клапанов приводит к нарушению герметичности камер сгорания и к утечкам рабоче­го тела, что отрицательно сказывается на индикаторном КПД. Поэтому в процессе эксплуатации требуется периодически конт­ролировать техническое состояние двигателя и проводить меро­приятия по восстановлению исходных его технических характе­ристик, связанных с индикаторными.параметрами.