lab_zad-2004-2

Ne		N m
m N i 1		N i	(4.8)
6. Эффективный КПД двигателя
e = i m			(4.9)
Используя вычисленные каждым	студентом		значения e, i,	m ,

определить характер их зависимости от нагрузки, т.е. построить график следующих функций:

i = f(Nе), m = f(Nе),gi = f(Ne).

Провести анализ полученных результатов.

Вопросы для самопроверки

1.Какие виды внутренних потерь Вы знаете?

2.Что такое вентиляционные потери?

3.Могут ли быть отрицательными потери на газообмен?

4.Какие способы определения внутренних потерь вы знаете?

5.Объясните, каким образом определяют мощность механических потерь при графическом методе?

6.Почему с увеличением нагрузки растет мощность механических потерь?

51

4.4. Снятие внешней скоростной характеристики дизеля с регуляторной ветвью

Цель работы: изучение протекания внешней скоростной характеристики и особенностей работы на ее регуляторной ветви.

Задачи работы:

1.Снятие внешней скоростной характеристики дизеля 2.Снятие регуляторной ветви внешней скоростной характеристики. 3.Проведение анализа полученной характеристики

4.Определение параметров регулятора, установленного на двигателе.

Все дизели оборудуются регуляторами частоты вращения, которые выполняют следующие функции:

1.Ограничивают максимальную частоту вращения.

2.Обеспечивают повышение устойчивости работы. Под устойчивостью понимается способность двигателя сохранять частоту вращения при изменении внешней нагрузки.

3.Облегчают труд водителя.

Вид скоростных характеристик зависит от типа используемого регулятора частоты вращения.

На автотракторных дизелях применяются два основных типа регулятора - всережимный и двухрежимный.

На рис.4.3 показана схема всережимного регулятора, а на рис. 4.4 - соответствующие ему скоростные характеристики крутящего момента.

При крайне левом положении рычага управления 1, когда главная пружина 5 регулятора полностью натянута, обеспечивается определение внешней скоростной характеристики (кривая 1 на рис.4.4) с регуляторной ветвью - кривая 6. Пусть дизель работает на номинальном режиме (точка А на рис.4.4). Если, например, вследствие уменьшения внешней нагрузки произойдет увеличение частоты вращения, то грузы 6 (рис.4.3) разойдутся на большую величину, муфта 10 регулятора, рычаги 3,4 и рейка 8 топливного насоса переместятся вправо. При этом уменьшится подача топлива и будет обеспечено ограничение повышения частоты вращения. В противном случае могло произойти чрезмерное, опасное для дизеля увеличение частоты вращения.

52

Рис. 4.3 Схема регулятора дизеля	Рис. 4.4 Характеристика
	всережимного регулятора

Рис. 4.5 Устойчивость	Рис.	4.6	Характеристика
работы двигателя	двухрежимного регулятора

При более правых положениях рычага управления 1 обеспечивается определение части внешней скоростной характеристики и регуляторных ветвей (кривые 5 - 2 на рис.4.4). Чем правее установлен рычаг 1 и, следовательно, меньше усилие пружины 5, тем при меньшей частоте вращения осуществляется переход с внешней скоростной характеристики на соответствующую регуляторную ветвь. При крайне правом положении рычага 1 пружина 5 не натянута. Работает лишь слабая пружина 9 холостого хода, с которой находится в этом случае в соприкосновении рычаг 2. Уменьшение частоты вращения холостого хода при этом вызывает перемещение рычагов 2,3,4 и рейки 8 влево. Как следствие, обеспечиваются увеличение подачи топлива и необходимая устойчивость работы дизеля. Достигаемое при этом повышение устойчивости режима иллюстрируется на рис.4.5. Здесь график 1 соответствует индикаторному моменту двигателя, работающего без регулятора при неизменном положении рейки топливного насоса, а график 2 - индикаторному моменту двигателя при работе с регулятором. График 3 изображает момент сопротивления (при работе дизеля на режиме холостого хода - момент внутренних потерь). При сочетании характеристики двигателя 1 и 3 режим неустойчив.

53

Случайное увеличение частоты вращения приводит к тому, что развиваемый дизелем момент становится больше момента внутренних потерь. Это вызывает дальнейший рост частоты вращения (дизель "идет вразнос"). Напротив, любое случайное уменьшение частоты вращения приводит к тому, что момент внутренних потерь становится больше момента дизеля. Это вызывает дальнейшее уменьшение частоты вращения (дизель глохнет). При изменении регулятором зависимости Me = f(n) с 1 на 2 режим становится устойчивым. На регулятор возложена функция прямой коррекции внешней скоростной характеристики дизеля.

Уменьшение частоты вращения ниже номинальной при крайнем левом положении рычага управления 1 (рис.4.3) приводит к перемещению влево рычагов 2, 3, 4 под действием разности усилий пружины 5 и грузов 6 (усилие пружин > усилия грузов). При этом сжимается пружина 7 корректора, обеспечивается некоторое дополнительное перемещение рейки 8 в направлении увеличения подачи топлива и достигается необходимый запас крутящего момента. Регулированием усилия пружины 7 можно изменять степень коррекции, обеспечивая большее ее соответствие характеру изменения с частотой вращения массового

наполнения дизеля ( v к). Более подробно работа регулятора рассмотрена в соответствующей литературе.

Рис.4.6 иллюстрирует изменение с частотой вращения крутящего момента дизеля, оборудованного двухрежимным регулятором. В этом случае автоматическое регулирование осуществляется только в двух заштрихованных зонах - максимальных и минимальных частот вращения. В среднем диапазоне частот вращения регулятор выключен и управление осуществляется водителем.

Необходимость применения коррекции подачи топлива можно объяснить следующим. Цикловая подача топлива(т.е. количество топлива, попадающего в цилиндр за один рабочий цикл) определяется объемом топлива, проталкиваемым плунжером и равным произведению его активного хода на площадь плунжера. С другой стороны, масса топлива попавшего в цилиндр двигателя за цикл зависит от плотности поступающего топлива. Чем выше частота вращения коленчатого вала, тем быстрее происходит перемещение плунжера и тем больше сжимается топливо при поступлении в цилиндр. Следовательно, при повышении частоты вращения и при неизменном положении рейки топливного насоса количество топлива, поступившего в цилиндр, будет возрастать. В результате, получим кривую крутящего момента 1-3, которая показана на рис. 4.7. В этом случае получаем отрицательный коэффициент крутящего момента. Для получения положительного коэффициента крутящего момента необходимо предусмотреть коррекцию подачи топлива.

Коррекция подачи топлива бывает двух видов – прямая и обратная. Под прямой коррекцией понимается увеличение цикловой подачи

топлива с уменьшением частоты вращения с целью увеличения

54

коэффициента запаса крутящего момента , от которого зависит устойчивость режима двигателя(кривая 1-2 на рис. 4.7).

По мере роста внешней нагрузки и падении частоты вращения двигателя, в цилиндр подается все большее количество топлива, и соответственно падает коэффициент избытка воздуха. В какой-то момент он может перейти границу предела дымления, что недопустимо. Для предотвращения этого явления применяют обратную коррекцию топлива (кривая 4-2’ на рис.4.7). Для проведения обратной коррекции используется небольшое калиброванное отверстие в нагнетательном клапане над плунжерной парой. По мере увеличения частоты вращения время, за которое происходит перетекание топлива из трубопровода высокого давления в надплунжерное пространство, уменьшается. При этом уменьшается и величина обратной коррекции топлива.

Таким образом, на высокооборотных дизелях кривая крутящего момента (кривая 1-4-2’ на рис. 4.7) обуславливается совместным действием двух корректоров – прямого и обратного.

Рис 4.7 Прямая и обратная коррекция подачи топлива

Из сказанного выше ясно, что скоростные характеристики с регуляторными ветвями определяются при том или ином постоянном положении рычага управления дизелем.

Наибольший интерес представляет внешняя скоростная характеристика, определяемая при положении рычага управления, в

55

котором обеспечивается наибольшее натяжение пружины регулятора. На рис. 4.7 приведено изменение ряда показателей дизеля в

Рис.4.8 Пример внешней скоростной	Рис.4.9 Пример регуляторной
характеристики дизеля	хапактеристики дизеля

функции частоты вращения по внешней скоростной характеристике и ее регуляторной ветви. Собственно внешней скоростной характеристикой называется зависимость от частоты вращения показателей дизеля (энергетических - эффективной мощности Nе, крутящего момента Ме, среднего эффективного давления Ре и экономических - часового Gт и удельного эффективного gе расходов топлива в диапазоне от минимальной рабочей частоты вращения nmin до максимальной рабочей частоты nmax.

При работе дизеля по внешней скоростной характеристике орган, регулирующий топливоподачу, находится на упоре максимальной подачи (жестком, упругом или регулируемом). Положения регулирующего органа обеспечивают работу дизеля без превышения допустимой дымности ОГ во всем диапазоне частот вращения. При этом, на каждой из частот вращения в рабочем диапазоне в зависимости от комплектации и условий окружающей среды дизель может преодолевать вполне определенную предельную внешнюю нагрузку. Регуляторной ветвью характеристики называются участки зависимостей показателей дизеля от максимальной рабочей nmax до максимальной частоты вращения холостого хода nmax чч.

Помимо энергетических и экономических показателей, на внешнюю скоростную характеристику выносится ряд других, в частности показатели, характеризующие условия перед впускными органами (давление Рк температура Тк для двигателей с наддувом).коэффициенты наполнения и избытка воздуха, экологические показатели (в частности,

56

дымность отработавших газов и уровень дыма), температуры отработавших газов, максимальное давление рабочего цикла и др.

Цикловая массовая подача воздуха в цилиндр дизеля - Gв = Vh v к. Следовательно, изменение массового наполнения цилиндра с частотой

вращения пропорционально v к. Изменение коэффициента наполнения с частотой вращения определяется, в основном, теми же факторами, что и в случае с карбюраторными двигателями, т.е. гидравлическим сопротивлением впускной системы, подогревом свежего заряда, явлением дозарядки, фазами газораспределения.

В ряде случаев существенное влияние на зависимость v(n) могут оказать колебательные явления во впускной и выпускной системах двигателя. В зависимости от конструкции этих систем и выбора фаз газораспределения колебательные (волновые) явления могут

способствовать как увеличению, так и уменьшению v с частотой вращения.

Для дизелей без наддува к = o .т.е. плотности воздуха в окружающей среде и перед входом в двигатель равны, поэтому Gв v. В

большинстве случаев v max имеет место при средних частотах вращения, а увеличение и уменьшение n вызывает снижение коэффициента

наполнения. В дизелях с наддувом к существенно изменяется в функции

частоты вращения. На вид зависимости к(n)оказывают влияние тип и характеристики агрегатов наддува.

Для наиболее распространенных систем газотурбинного наддува к существенно повышается с ростом частоты вращения из-за более быстрого роста Рк по сравнению с увеличением Тк. В результате массовое наполнение цилиндров также повышается с повышением частоты вращения.

На изменение коэффициента избытка воздуха с частотой вращения

помимо характера изменения v к. (как следует из формулы 3.20), оказывает влияние зависимость Gт.ц (n). При отсутствии корректоров подачи топлива для наиболее широко распространенной системы топливоподачи с дозированием плунжером-золотником цикловая подача топлива при неизменном положении рейки насоса увеличивается с частотой вращения. Введением прямого корректора, как уже отмечалось, обеспечивается увеличение Gт.ц при снижении частоты вращения. В ряде случаев для уменьшения дымности отработавших газов в зоне частот вращения ниже значения, при котором достигается максимум крутящего момента (nMe max), применяют помимо прямого также обратный корректор подачи топлива, обеспечивающий снижение Gт.ц на 10 ... 20% при уменьшении частоты вращения от nMe max до nmin .

На большинстве автомобильных дизелей коэффициент избытка воздуха растет с частотой вращения, особенно в диапазоне от nMe max до nmax. Для дизелей без наддува этот рост не велик. Для дизелей же с нерегулируемыми системами газотурбинного наддува имеет место

57

заметное увеличение избытка воздуха в названном диапазоне частот вращения в связи с ростом к и снижением Gт.ц.

Для каждого конкретного дизеля характерны свои зависимости: i =

f( ,n). Для диапазона изменения коэффициента избытка воздуха по внешней скоростной характеристике теплоиспользование дизеля улучшается с увеличением коэффициента избытка воздуха. Причины этого рассмотрены при анализе нагрузочной характеристики дизеля.

Индикаторный к.п.д. при неизменном , как правило, повышается с ростом частоты вращения. Это связано с уменьшением относительных потерь теплоты в систему охлаждения, в основном, из-за уменьшения времени теплообмена и с повышением совершенства процессов смесеобразования и тепловыделения.

Учитывая отмеченные выше преимущественные тенденции изменения и I , нужно отметить, что по внешней скороcтной

характеристике автомобильных дизелей i, как правило, увеличивается с ростом частоты вращения. Для дизелей без наддува с ростом частоты вращения в большинстве случаев незначительно увеличивается также

отношение i/ , которому пропорционально среднее давление цикла Pi (см. зависимость 3.21).

Механический к.п.д. практически всегда снижается c ростом частоты вращения вследствие того, что все составляющие внутренних потерь заметным образом увеличиваются.

Сказанное выше о характере изменения отдельных параметров в функции частоты вращения позволяет объяснить изменение среднего эффективного давления и крутящего момента в функции частоты вращения (рис.4.4 и 4.9). Увеличение Ре и Ме в диапазоне частот вращения

от nmin до nMe max объясняется ростом i/ , v и к (последнее для дизелей с наддувом). Снижение же Ре и Ме в диапазоне от nMe max до nmax является, в

основном, следствием превалирующего влияния снижения м и v (см. уравнения 3.21 и 3.22).

Более простой анализ может быть выполнен с помощью уравнения (3.33), из которого ясно, что увеличение Pе может быть связано только c

ростом Gт.ц i, а уменьшение - с падением Gт.ц i.

При Pe = const мощность дизеля линейно растет с частотой вращения вследствие увеличения числа рабочих ходов (циклов) в единицу времени. Так как Ре, как правило, имеет максимум в зоне средних частот вращения, то зависимость Ne = f (n) имеет выпуклость, обращенную вверх.

Из формулы (3.25) следует, что удельный эффективный расход топлива достигает минимума, когда имеет место максимум произведения

i м. Обычно это достигается вблизи nMe max. Увеличение и уменьшение частоты вращения по сравнению со значением, при котором достигается ge min сопровождается ростом удельного эффективного расхода топлива. В диапазоне малых частот вращения это связано с превалирующим

58

влиянием ухудшения теплоиспользования (снижения i), а в диапазоне высоких частот - снижением механического к.п.д.

Мощность, крутящий момент и среднее эффективное давление при работе дизелей без наддува и с наддувом от нагнетателя с механическим приводом по внешней скоростной характеристике приводятся к стандартным атмосферным условиям (см. раздел 2.4).

Температура отработавших газов, как правило, увеличивается с ростом частоты вращения в связи с повышением полноты сгорания топлива, уменьшением охлаждения рабочего тела в процессе расширения, а в ряде случаев некоторым затягиванием догорания топлива по углу поворота коленчатого вала и, как следствие, уменьшением реальной степени расширения газов. Температура деталей увеличивается с ростом частоты вращения, в основном, вследствие тепловыделения в единицу времени и, как следствие, повышения теплового потока, передаваемого через деталь в систему охлаждения.

Дымность отработавших газов автомобильных дизелей, как правило, снижается с ростом частоты вращения. Это связано с более полным и однородным распыливанием топлива; с повышением турбулентности заряда, что способствует более полному выгоранию сажи внутри цилиндра; с улучшением степени согласования скоростей впрыска и движения заряда и с увеличением, как правило, коэффициента избытка воздуха.

О характере изменения содержания токсичных компонентов отработавших газов с частотой вращения сведений накоплено недостаточно. Обычно минимальное содержание углеводородов в окиси углерода и максимальное содержание окислов азота имеют место при

nmin< n < nmax.

Уровень шума дизеля возрастает с ростом частоты вращения вследствие увеличения практически всех составляющих: шума впуска, шума вентилятора, механического шума и шума от процесса сгорания.

Изменение параметров по регуляторной ветви скоростной характеристики определяется уменьшением подачи топлива регулятором. В результате падают крутящий момент и мощность дизеля (до 0 при nmax хх), растет коэффициент избытка воздуха, снижается температура и дымность отработавших газов. Коэффициент наполнения по регуляторной ветви изменяется мало, так как не велик диапазон частоты вращения и кроме того с ростом частоты вращения снижается подогрев заряда как из-за уменьшения температуры деталей, так и в небольшой степени вследствие уменьшения времени теплообмена.

Характер изменения удельного эффективного расхода топлива по регуляторной ветви объясняется причинами, рассмотренными выше при анализе нагрузочной характеристики. При уменьшении цикловой подачи

до определенного значения достигается максимум произведения i м. и соответственно gemin. При дальнейшем уменьшении подачи топлива удельный расход топлива растет вследствие резкого падения

59

механического к.п.д. и стремится к при уменьшении подачи топлива до значения, при котором достигается nmax хх.

Тракторные дизели значительную долю времени работают на режимах регуляторной ветви. Пользоваться для анализа показателей дизеля на режимах регуляторной ветви характеристикой, построенной в функции частоты вращения, неудобно, так как резкое изменение практически всех параметров имеет место в узком диапазоне изменения частоты вращения (обычно 10 ... 14% от nmax). Поэтому скоростная характеристика строится также в функции мощности (момента) и называется при этом регуляторной характеристикой (рис.4.9).

Методика определения внешней скоростной характеристики дизеля с регуляторной ветвью

При определении характеристики двигатель комплектуется для получения мощности брутто. Двигатель, прогретый до рабочих температур смазочного масла и охлаждающей жидкости, запускают, плавно выводя рычаг управления в крайнее положение, при котором максимальным оказывается натяжение пружины регулятора. Одновременно с перестановкой рычага регулировкой тормоза нагружают дизель и устанавливают nmin. После стабилизации теплового режима производят замеры. Далее, не меняя положения рычага управления, регулировкой тормоза повышают частоту вращения, устанавливая новый режим. Всего по внешней скоростной характеристике регистрируют параметры на 6 ... 8 режимах. Начиная с режима, близкого к nmax, интервал изменения частоты вращения уменьшают. На регуляторной ветви характеристики необходимо произвести 4 - 5 замеров. Пример графиков, которые строятся по результатам определения характеристики, показан на рис.4.8 и 4.9. Графики строят с соблюдением правил, приведенных в разделе 2.5. На внешнюю скоростную характеристику обязательно выносят следующие показатели: Me, Nе, Gт, gе, а также приведенные к стандартным атмосферным условиям значения Me0, Nе0; дополнительно

строят графики v, Gв, , tr и др. На регуляторную характеристику выносят графики, показанные на рис.4.9.

Порядок снятие регуляторной характеристики.

1.Прогреть дизель до нормального теплового состояния.

2.При полной подаче топлива полностью снять нагрузку и установить

максимальные обороты холостого хода (nmax х.х.).

Показания приборов занести в журнал проведения испытаний.

Следует иметь в виду, что полностью обеспечить холостой ход не представляется возможным, а поэтому и на режиме холостого хода необходимо записать показания тормоза.

60