А.С. Березин Транспортные двигатели

21

щий скоростной режим двигателя, при котором после стабилизации теплового режима производят замеры параметров работы двигателя на второй точке характеристики и т.д. до скоростного режима, соответствующего n=1,1 nном .

Для построения скоростной характеристики двигателя число скоростных режимов, при которых проводятся измерения, должно быть 6-8, то есть достаточным, чтобы выявить форму и характер кривых во всем диапазоне обследуемых режимов. Обычно скоростные режимы устанавливают кратными 100 об/мин.

Замер каждой точки характеристики включает измерение следующих параметров работы двигателя: скорости вращения коленчатого вала n, усилия на весах тормоза Р, времени расхода τ заданной порции топлива ∆ G , расхода воздуха Gв .

По результатам измерений рассчитываются следующие показатели: M e , N e , Gt , ge , Gв , η v , α . По результатам вычислений строят-

ся графики.

4. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать протокол испытаний с результатами измерений и расчетов, а также графики на миллиметровой бумаге размером 210 × 297 мм.

5.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.Что называется скоростной характеристикой двигателя ?

2.Чем отличается внешняя скоростная характеристика от частичной ?

3.Какие показатели можно определить по внешней скоростной характеристике ?

4.Объясните характер изменения по внешней скоростной харак-

теристике следующих показателей рабочего процесса: M e ,

N e , Gt , ge , Gв , η v , α .

5.Что такое коэффициент запаса крутящего момента ?

6.Что такое максимальная и номинальная мощность ?

7.Чем определяется минимальная и максимальная скорость вращения коленчатого вала ?

22

Лабораторная работа № 3

ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИЗЕЛЯ С РЕГУЛЯРНОЙ ВЕТВЬЮ

3.1. ЦЕЛИ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Цели работы - закрепление материала лекций по теорий рабочих процессов автомобильных двигателей, экспериментальное построение и анализ скоростной характеристики дизеля.

После изучения теоретических положений» изложенных ниже, запускают дизель. После прогрева на малой нагрузке устанавливают нагрузочный режим по указанию преподавателя и проводят измерения, необходимые для построения скоростной характеристики. По результатам испытаний оформляют отчет. Работа рассчитана на два часа.

3.2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3.2.1.Скоростные характеристики дизеля

Скоростной характеристикой дизеля называется зависимость показателей рабочего процесса ( N e , M e , Gt , ge и др.) от скорости

вращения коленчатого вала при постоянном положении рейки топливного насоса высокого давления.

Скоростная характеристика, соответствующая максимальной мощности на каждом скоростном режиме, называется внешней характеристикой. Такая характеристика является паспортом двигателя.

Внешняя характеристика карбюраторных двигателей получается при полностью открытой дроссельной заслонке. Понятие внешней характеристики дизелей вследствие особенностей дизельного процесса будет зависеть от регулировки подачи топлива на номинальных оборотах, т. е. от установки рейки, топливного насоса высокого давления. В связи с этим различают следующие внешние характеристики дизеля.

Если при снятии характеристики положение рейки на номинальных оборотах соответствует оптимальному регулированию, то есть

23

подобранному по пределу дымления (точка 2 на нагрузочной характеристике), а на остальных скоростных режимах остается постоянным, то такая внешняя характеристика называется нормальной (см. рис. 9, кривая 1) или эксплуатационной внешней характеристикой. Следует отметить, что по нормальной характеристике на скоростных режимах, меньших номинального, предел дымления обычно не достигается вследствие некоторого уменьшения цикловой подачи топлива и увеличения наполнения уменьшением оборотов, то есть увеличения α . Это приводит к относительному снижению располагаемой мощности по мере уменьшения скорости.

Внешняя характеристика называется предельной по началу дымления, или оптимальной (кривая 2, рис. 9), если все точки ее соответствуют нагрузкам, полученным по пределу дымления. Кривая 3 (рис. 9) представляет собой внешнюю характеристику, полученную при таком положении рейки, которое соответствует максимальной мощности при номинальном числе оборотов (точка 3 на нагрузочной характеристике). Такую характеристику называют внешней характеристикой максимальной мощности.

N

4

3

2

1

n		n	n об/мин

Рис. 9

Возможно также получить так называемую абсолютную внешнюю характеристику (кривая 4, рис. 9) при условии, что все точки ее будут соответствовать максимально достижимой мощности. Длительная эксплуатация дизелей в обычных условиях по характеристи-

24

кам 3 и 4 не допустима, так как из-за недостатка воздуха (α ≈ 1,1) работа сопровождается, как отмечалось, резким ухудшением экономичности, образованием дыма на выхлопе и перегревом двигателя. В связи с этим максимальную подачу топлива ограничивают установкой специального упора перемещения рейки так, чтобы на номинальных оборотах достигался предел дымления (эксплуатационная внешняя характеристика). Специальным корректированием (исправлением) характера изменения цикловой подачи с уменьшением оборотов, о чем будет сказано ниже, эксплуатационную внешнюю характеристику приближают к предельной по началу дымления.

Примерный характер изменения основных показателей рабочего процесса по внешней эксплуатационной характеристике дизеля показан на рис. 10 а, б сплошными линиями; пунктиром показано протекание кривых при корректировании цикловой подачи топлива.

M

qц

N

G g

n		n	ne	n		n		n
			ном					б)
			а)

Рис. 10

Для выяснения причин, влияющих на характер изменения кривых M e и N e по внешней характеристике, воспользуемся уравнения-

ми, известными из теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания:

M

e

=

B

η i

η η

или M

e

=

B

∆ q η

η

м

,

(3.1)

α

v м

1

ц

v

числа соответствующего M emax

vmax

vmax

25

N	e	=	Aη i		η η	м	n,	(3.2)
				α	v

где B, B1 , A – постоянные для каждого двигателя величины, учитывающие литраж, тактность, состояние воздуха на впуске и физико-химические свойства топлива.

Из уравнений 3.1 и 3.2 видно что на xapaктер изменения крутящего момента дизеля влияют цикловая подача топлива ∆ qц коэффи-

циент наполнения η v , индикаторный η i и механический η м КПД двигателя. Типичные зависимости ∆ qц , η v , η i , η м от скоростного режима

двигателя приведены на рис. 10, б.

С увеличением скоростного режима двигателя увеличиваются, как известно, гидравлические потери в системах впуска и выпуска. Вследствие этого, коэффициент наполнения дизеля от значения η

уменьшается с увеличением оборотов. Уменьшение наполнения от η с понижением оборотов объясняется увеличением оборотов вы-

броса, то есть влиянием фаз газораспределения, оптимальное значение которых подбирается для скоростного режима, соответствующего примерно (0,4 - 0,6) nном .

С увеличением оборотов дизеля мощность, затрачиваемая на преодоление механических потерь, возрастает, и механический КПД соответственно уменьшается. Отмеченное изменение η v и η м , как

это видно из уравнения 3.1 и графиков, вызывает уменьшение крутящего момента или среднего эффективного давления с увеличением скоростного режима, причем только в области максимальных оборотов может наблюдаться некоторое увеличение M e , обусловленное

соответствующим увеличением наполнения.

Цикловая подача топлива у дизелей, снабженных аппаратурой разделенного типа, с увеличением оборотов несколько возрастает при неизменном положении рейки или в некоторых случаях остается постоянной.

Индикаторный КПД в большинстве случаев с увеличением числа оборотов возрастает лишь до определенного скоростного режима.

В результате суммарного воздействия рассмотренных факторов ( ∆ qц , η v , η i , η м ) изменение M e или Pe с увеличением оборотов от

до минимальных происходит полого,

26

то есть в относительно небольших пределах. Пологая характеристика протекания M e обусловливается у дизелей меньшим, чем у карбюра-

торных двигателей, коэффициентом запаса крутящего момента:

K =	M e	max	− M e	ном	,	(3.3)
		M eном

где M eном - крутящий момент двигателя при номинальном числе оборотов.

Для увеличения коэффициента K ( значение K у дизелей без коррекции 0,03 – 0,005; при корректировке подачи 0,10 - 0,15; для карбюраторных двигателей 0,20 - 0,25 ), то есть увеличения крутизны графика крутящего момента, а также с целью некоторого повышения мощности при оборотах, меньших чем номинальные, изменяют характеристику ∆ qц = f (n) путём установки специальных

приспособлений – корректоров топливоподачи. С помощью корректора цикловую подачу увеличивают по мере уменьшения скорости примерно на 10 – 15 % и тем самым добиваются лучшего согласования подачи топлива и воздуха.

На рис. 10 а, б пунктиром показаны характеристики дизеля при использовании корректора. Увеличение цикловой подачи топлива с уменьшением скорости вызывает, как это показано на графиках, обогащение смеси, что, естественно, несколько уменьшает индикаторный КПД. Но при этом во всем диапазоне оборотов характеристика приближается к предельной по началу дымления и происходит увеличение M e и N e .

Характер изменения мощности в зависимости от скорости вращения коленчатого вала находит свое объяснение из анализа уравнения (3.2). Мощность возрастает по мере повышения скоростного режима до тех пор, пока влияние n оказывается в большей степени, чем уменьшение η v и η м . Так как с некоторого значения числа обо-

ротов ( n > nном ) наполнение и механический КПД начинают умень-

шаться тем быстрее, чем больше n, то возможно достижение скоростного режима, при котором мощность будет максимальна и дальнейшее увеличение оборотов приведёт лишь к снижению её.

Характер изменения удельного эффективного расхода топлива от скоростного режима можно проанализировать, воспользовавшись уравнением:

					27
		ge = C		1		,	(3.4)
			η iη
					м
где C =	632	103 - постоянная величина.
	H u

Как видно, удельный эффективный расход топлива определяется величиной, обратной произведению η iη м . Увеличение ge от мини-

мального его значения с увеличением оборотов происходит, главным образом, вследствие уменьшения механического КПД, и возможного в области максимальных оборотов снижения η i . Увеличение ge в об-

ласти малых оборотов объясняется снижением η i из-за увеличения

тепловых потерь в стенки и ухудшения распыливания топлива. Характерными режимами внешней характеристики дизеля (см.

рис 10, а) являются:

nном - режим, соответствующий номинальной мощности N ном ; nMe - режим, соответствующий максимальному крутящему момен-

ту M emax ;

nge - режим, соответствующий минимальному удельному эффек-

тивному расходу топлива ;

nmax - максимальная скорость холостого хода, ограничиваемая ре-

гулятором.

nmin - минимально-устойчивая скорость при полной нагрузке, ограничиваемая регулятором.

3.2.2.Регулирование скоростного режима и регуляторная характеристика дизелей

Режим работы двигателя внутреннего сгорания характеризуется его нагрузкой и скоростью. Для каждого двигателя обе характеристики режима могут изменяться в определенных пределах.

Тот или иной установившийся скоростной режим работы двигателя в рассматриваемый отрезок времени возможен тогда, когда момент, развиваемый двигателем, и момент, создаваемый внешней нагрузкой, равны.

В отличие от карбюраторных двигателей, дизели обладают значительно меньшей устойчивостью установившегося режима, то есть способностью к саморегулированию скорости при изменении внешней нагрузки. Это объясняется, главным образом, отмеченным ранее

28

пологим характером изменения крутящего момента по скоростной характеристике.

Зависимость крутящего момента от скорости - для дизеля сплошными линиями и карбюраторного двигателя пунктирными - показана на рис. 11 а при различных положениях органа, регулирующего подачу топлива.

Мкр	P
qц max	P		P	регулярное
			а
				P
		3		3
				1	P
		1
				2
		2
				б
	n
	n об/мин	n‘	n	n‘‘	n об/мин
а)				б)

Рис. 11

В случае карбюраторного двигателя при малом открытии дроссельной заслонки и резком снижении нагрузки до нуля, число оборотов не превышает номинальное, то есть не опасно (см. рис. 11, а). При полном открытии дроссельной заслонки разноосное число оборотов хотя и может превысить номинальное, но также не опасно, так как допустима кратковременная работа карбюраторного двигателя с числом оборотов, на 30 - 50% большим номинального.

Для дизелей, как видно из рис. 11, а (сплошные линии), при всех положениях органа управления, возможно достижение числа оборотов значительно выше номинального (допускаемого), то есть дизели могут разгоняться в случаях резкого уменьшения нагрузки при любой подаче топлива. При полной подаче топлива превышение номинальных чисел оборотов ограничивается у дизелей не только условиями прочности, но и резким ухудшением качества рабочего процесса в связи с заметным снижением α , поэтому дизели, независимо от типа и условий эксплуатации, снабжаются регуляторами, ограничивающими максимальную скорость вращения коленчатого вала, что в большинстве случаев не обязательно для карбюраторных двигателей.

Существенное значение для транспортных двигателей имеет устойчивость режима холостого хода при малых оборотах (прогрев, переключение передач, кратковременные стоянки). Устойчивость ре-

29

жима холостого хода зависит от характера изменения среднего индикаторного давления Pi и среднего давления трения Pм в зависимости

от скорости, а обороты холостого хода определяются их равенством. В случае дизеля с насосом золотникового типа сочетание изменений Pi и Pм (см. рис. 3 б) получается таким, при котором режим работы

неустойчив. Действительно, небольшое изменение среднего давления Pi (линия 2-2 или 3-3) приведет к значительному увеличению скоро-

сти nmin или остановке двигателя. Поэтому на дизелях установка регуляторов минимальных оборотов необходима.

Регулятор должен резко увеличивать или уменьшать цикловую подачу топлива в соответствии с изменениями nmin так, чтобы обеспечивалось изменение Pi по кривой а - б (рис. 3 б). При этом будет обеспечена устойчивая работа дизеля. Аналогичная зависимость Pi от nmin , имеющая место у карбюраторных двигателей без регулятора,

обеспечивает им устойчивость работы на режиме холостого хода. Таким образом, дизели должны быть снабжены, как минимум,

двухрежимным регулятором, который, воздействуя на рейку топливного насоса, должен обеспечивать устойчивые минимальные обороты холостого хода и ограничивать максимальные обороты.

Как правило, двухрежимный регулятор лишь ограничивает минимальные и максимальные обороты, и регуляторная ветвь характеристики не является рабочей.

Для увеличения устойчивости работы дизелей во всем диапазоне изменения оборотов и при любых нагрузках (положениях рейки топливного насоса высокого давления) применяют так называемые всережимные регуляторы.

Пример характеристики дизеля при использовании всережимного регулятора показан на рис. 12.

Основное назначение такого регулятора состоит в том, чтобы поддерживать любой задаваемый скоростной режим двигателя практически постоянным (в пределах неравномерности работы регулятора ∆ n =30 - 70 об/мин) при изменении нагрузки от холостого хода до нагрузки, соответствующей внешней характеристике. Величина ∆ n на разных скоростях режима различна и зависит от конструктивных особенностей регулятора. Всережимные регуляторы резко увеличивают устойчивость работы дизелей на частичных нагрузках.

N

n,

об 1

G ,

кг

g,

ч

30

Внешняя характеристика

Регуляторные ветви характеристики

										n об/мин
			n			n	n
Рис. 12

2

3

N (л. с.)

Рис. 13