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. Скоростная характеристика, соответствующая максимальным значениям мощности на каждой из частот вращения, называется внешней скоростной характеристикой двигателя. ВСХ представляет собой верхнюю границу поля эксплуатационных режимов работы двигателя (рис. 2.4). На режимах ВСХ двигатель испытывает максимальные тепловые и механические нагрузки и выделяет наибольшее количество токсичных веществ с отработавшими газами.

Режимы ВСХ имитируют работу двигателя на автомобиле при движении последнего в условиях переменного дорожного сопротивления, но при постоянном и предельном положении органа управления двигателем. Чаще всего режимы ВСХ имеют место при разгоне автомобиля.

ВСХ является основной паспортной характеристикой двигателя, на основании которой оценивают его главные технические показатели:

Скоростная характеристика, полученная при любом фиксированном положении органа управления подачей топлива, не соответствующем максимальному значению цикловой подачи, называется частичной скоростной характеристикой двигателя.

 

Рис. 2.4. Внешняя скоростная характеристика двигателя: а – поле мощностей; б – ВСХ двигателя КамАЗ 5511

 

Рассмотрим более подробно ВСХ дизельного двигателя, приведенну на рис. 2.5.

Рис. 2.5. ВСХ дизельного двигателя

 

Точка 1 соответствует работе двигателя без нагрузки (на холостом ходу). Режим работы ДВС, соответствующий точке 1, можно получить только на двигателе, на котором не установлен регулятор (ограничитель) оборотов. Максимальные обороты коленчатого вала n_разн, соответствующие работе двигателя в точке 1, называют разносными. Работа двигателя при такой частоте вращения коленчатого вала не допустима.

С энергетической и экономической точки зрения двигатель большую часть времени должен работать в зоне большой мощности и минимального удельного эффективного расхода топлива. Максимальная мощность двигателя N_emax соответствует точке 2. Работа двигателя на режиме максимальной мощности (точка 2) недопустима, так как при этом имеет место дымный выпуск отработавших газов, указывающий на неполное сгорание топлива. Чтобы исключить работу двигателя в зоне дымления (точка 2), регулятор оборотов коленчатого вала настраивают на ограничение цикловой подачи топлива таким образом, чтобы максимальная мощность двигателя была несколько меньше. Максимальную мощность двигателя, соответствующую работе двигателя по ВСХ без дымления называют номинальной N_e= N_eн = 0,9N_emax (точка 3). Этой мощности соответствует определенная частота вращения коленчатого вала n_н, называемая номинальной. Параметры двигателя M_eн, g_eн, определенные при номинальной частоте вращения коленчатого вала n_н, называют номинальными. Их значения, как правило, заносят в паспорт двигателя.

Точка 3 соответствует началу работы регулятора оборотов коленчатого вала двигателя.

Точка 8 соответствует работе двигателя с регулятором на холостом ходу. В точке 8 имеют место минимальные цикловые подачи топлива в цилиндры двигателя. Линии 3-8 и 5-8 называют регуляторными ветвями внешней скоростной характеристики двигателя.

Работа ДВС на режиме максимального крутящего момента (точка 4) является предельной. Дальнейшее увеличение нагрузки на двигатель приводит к неустойчивой его работе в зоне, расположенной левее точки 4. В эксплуатации при смещении режима работы левее точки 4 с целью недопущения его остановки переключают ступень коробки передач на низшую передачу.

Помимо рассмотренных ранее на ВСХ можно выделить ряд характерных точек:

– точка 4, соответствующая максимальному значению крутящего момента M_emax. Этому режиму соответствует частота вращения n_м;

– точка 6, соответствующая минимальному значению удельного эффективного расхода топлива g_{e min}. Этому режиму соответствует частота вращения n_g;

– точку 12, соответствующую минимально устойчивой частоте вращения n_min.

На основании ВСХ вычисляют следующие технические показатели ДВС:

– коэффициент приспособляемости двигателя к внешней нагрузке по крутящему моменту:

,

где M_eн – крутящий момент, соответствующий номинальной мощности. Коэффициент приспособляемости k_М характеризует тяговые свойства ДВС. Чем больше его величина, тем устойчивее работа двигателя под нагрузкой.

– коэффициент приспособляемости двигателя к внешней нагрузке по частоте вращения (скоростной коэффициент)

,

Данный коэффициент показывает во сколько раз уменьшается частота вращения вала двигателя под воздействием возросшего момента сопротивления при изменении крутящего момента двигателя от М_еН до М_еmax. Этот коэффициент позволяет оценить потерю скорости транспортной машины при тех же условиях и неизменном передаточном числе силовой передачи.

– коэффициент запаса крутящего момента

,

который характеризует приспособляемость двигателя к преодолению временно возросших сопротивлений без перехода на низшую передачу.

 

Нагрузочные характеристики

Нагрузочной характеристикой называется изменение величины удельного или часового расхода топлива, а также других параметров в зависимости от нагрузки на двигатель (мощность, среднее эффективное давление или крутящий момент) при постоянной частоте вращения вала (см. рис. 2.6). В качестве независимой переменной при построении нагрузочной характеристики по оси абсцисс могут быть отложены Me = Mc, Ne, pe.

Рис. 2.6. Нагрузочные характеристики дизеля: а – без наддува; б – с наддувом

Работа на режимах нагрузочной характеристики наиболее характерна для двигателей, которые по условиям технологического процесса потребителя мощности должны сохранять почти постоянным скоростной режим при изменении внешней нагрузки (двигатели для привода электрических генераторов, насосов, компрессоров, тракторов). Также нагрузочная характеристика имитирует работу автомобильного двигателя при движении автомобиля с постоянной скоростью на одной из передач в условиях переменного дорожного сопротивления.

Нагрузочная характеристика двигателя с внешним смесеобразованием снимается посредством регулирования количества подаваемой горючей смеси в цилиндры двигателя при неизменной частоте вращения и оптимальном угле опережения зажигания. Изменение количества подаваемой горючей смеси осуществляется поворотом дроссельной заслонки, а постоянство частоты вращения достигается соответствующим изменением момента сопротивления нагрузочного устройства.

Нагрузочная характеристика дизеля снимается посредством изменения количества подаваемого в цилиндры двигателя топлива при сохранении неизменной частоты вращения вала. Изменение количества подаваемого топлива осуществляется перемещением рейки топливного насоса, а постоянство оборотов обеспечивается изменением момента сопротивления нагрузочного устройства.

Проводя эксперименты при различной, но постоянной частоте вращения коленчатого вала, можно получить множество нагрузочных характеристик.

Исследование нагрузочных характеристик позволяет определить оптимальный нагрузочный режим работы двигателя, характеризуемый зоной минимальных расходов топлива, а также определить способы улучшения топливной экономичности двигателя.