Скоростная характеристика двигателя

Скоростная характеристика (рис. 20) представляет собой зависимость эффективной мощности, эффективного крутящего момента двигателя, часового и удельного эффективного расходов топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

Рис. 20. Скоростная характери- стика.

Условия снятия характеристики:

Различают внешнюю скоростную характеристику, снимаемую при полностью открытой дроссельной заслонке, и частичные скоростные характеристики, определяемые при промежуточных, но постоянных положениях дросселя. Обеспечивается нормальное тепловое состояние двигателя; угол опережения зажигания устанавливается оптимальным.

Регулирование частоты вращения коленчатого вала осуществляется изменением нагрузки с помощью тормоза.

Скоростные характеристики снимают в диапазоне от минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала (n_min) до частоты вращения, на 10 % превышающей частоту, на которой достигается максимальная мощность двигателя при данном положении дроссельной заслонки.

Внешняя скоростная характеристика позволяет определить мощностные и экономические показатели двигателя, а также значения частоты вращения вала, соответствующие максимальной мощности, минимальному удельному эффективному расходу топлива и максимальному крутящему моменту двигателя.

 

Теоретическая часть

Как известно из теории, эффективный крутящий момент двигателя (Н·м) пропорционален среднему эффективному давлению Р_е (МПа). Для четырехтактного двигателя

В свою очередь, среднее эффективное давление является функцией коэффициента наполнения, связанной с ним цикловой подачи топлива, а также индикаторного и механического КПД:

.

Таким образом, для повышения величины крутящего момента необходимо улучшать наполнение цилиндров свежей смесью, уменьшать тепловые и механические потери.

При малых частотах вращения вала величина крутящего момента, как правило, невысока. Объясняется это ухудшением процесса смесеобразования вследствие небольших скоростей воздуха во впускном трубопроводе и малой интенсивности вихрей в цилиндре; большими потерями тепла в стенки вследствие значительного времени соприкосновения горячих газов с более холодными стенками; плохим наполнением цилиндров по причине обратного выброса рабочей смеси в период опаздывания закрытия впускного клапана.

Для повышения величины крутящего момента на малых частотах вращения целесообразно применять газодинамический наддув, то есть использовать волновые процессы во впускном трубопроводе для уменьшения обратного выброса. Этого можно достичь увеличением длины впускного трубопровода, отдельного для каждого цилиндра. Для дополнительного уменьшения обратного выброса желательно использовать переменные фазы газораспределения, позволяющие уменьшать угол опаздывания закрытия впускного клапана на указанных скоростных режимах.

На средних частотах вращения коленчатого вала крутящий момент увеличивается. Это объясняется прекращением обратного выброса смеси из-за увеличения ее скорости на впуске, а также повышением скорости сгорания вследствие лучшего смесеобразования и соответственным уменьшением относительной теплоотдачи.

На больших частотах вращения крутящий момент уменьшается, т.к. здесь, в частности, падает коэффициент наполнения вследствие повышения аэродинамического сопротивления впускного тракта, которое пропорционально квадрату скорости движения заряда в нем (потери по длине, дросселирование, сопротивление в клапанной щели, в воздушном фильтре). Кроме того, здесь возрастают потери тепла с отработавшими газами, так как уменьшается время, отводимое на процесс сгорания, и, растягиваясь по углу поворота коленчатого вала, этот процесс смещается на такт расширения – ближе к процессу выпуска. Здесь, наконец, увеличиваются и механические потери двигателя, которые определяются средней скоростью поршня.

Для улучшения наполнения на высоких частотах вращения необходимо уменьшать аэродинамическое сопротивление на впуске. С этой целью уменьшают длину впускного тракта и увеличивают количество клапанов на цилиндр, высоту их подъема и угол опаздывания их закрытия.

Для смягчения последствий смещения процесса сгорания на такт расширения, необходимо увеличивать угол опережения зажигания.

Среднее давление механических потерь возрастает с увеличением частоты вращения по закону, близкому к линейному, что приводит к монотонному снижению механического КПД. Для уменьшения механических потерь уменьшают высоту поршня и количество поршневых колец, конструируют двигатель короткоходным, улучшают качество смазки.

Эффективная мощность двигателя определяется величиной произведения крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала . На графике изменения N_e можно выделить три характерные зоны. В первой зоне, от n_min до n_М, благодаря одновременному росту М_е и  наблюдается наиболее интенсивное возрастание N_e.

Во второй зоне, от n_М до , вследствие постепенного уменьшения М_е наблюдается замедление, а затем и прекращение роста N_e. В третьей зоне, при n> , уменьшение крутящего момента настолько велико, что не может быть компенсировано повышением частоты вращения, и мощность двигателя падает.

Часовой расход топлива (кг/ч) определяется цикловой подачей топлива G_{m цикл} (мг/цикл) и частотой вращения коленчатого вала n (мин^-1):

,

поэтому он растет почти пропорционально частоте вращения коленчатого вала n, обусловливая небольшую выпуклость в графике G _m = f (n) за счет специфического закона изменения G_{m цикл} по частоте вращения, близкого к характеру изменения коэффициента наполнения.

Часовой расход топлива достигает максимального значения при частоте вращения коленчатого вала приблизительно . При n>n_G часовой расход начинает падать, так как здесь увеличение количества циклов в единицу времени уже не может компенсировать ухудшение наполнения за цикл.

Рис. 21. Зависимость КПД от частоты вращения.

Минимальный удельный эффективный расход топлива g_e наблюдается при средних частотах вращения коленчатого вала и определяется оптимальным соотношением индикаторного  и механического  КПД (рис. 21).

Возрастание g_e на малых частотах вращения связано с падением индикаторного КПД вследствие ухудшения процессов смесеобразования и сгорания и соответственного увеличения тепловых потерь. Повышение g_e при больших частотах вращения объясняется ростом насосных и механических потерь, а также увеличением тепловых потерь с отработавшими газами.