ГЛАВА II. Расчет эффективности конструкции и работы двигателя внутреннего сгорания.

Характеристики двигателей.

 

Энергетические и экономические показатели двигателя при различных режимах работы (частое вращение коленчатого вала и нагрузке) оценивают по его характеристикам: регулировочным, скоростной и нагрузочной.

Характеристики – это графические выражения зависимости какого-либо основного показателя работы двигателя от другого показателя, построенные по опытным данным, которые были получены в результате испытаний двигателя на специальных тормозных установках (стендах). Методы поведения стендовых испытаний двигателей стандартизованы (ГОСТ 18509-80 для тракторных и комбайновых дизелей, ГОСТ 14846-81 для автомобильных двигателей).

Регулировочные характеристики отражают зависимость основных показателей двигателя от принятых регулировок его механизмов, влияющих на протекание рабочего процесса. Те значения регулируемых параметров двигателя, которые обеспечивают получение заданной мощности и наибольшей экономичности, называют оптимальными. Их определяют по регулировочным характеристикам.

В качестве примера на рисунке 10, приведена регулировочная характеристика по установочному углу начала подачи топлива насосом дизеля СМД-14. Она показывает зависимость мощности и удельного расхода топлива от угла Qн начала подачи топлива насосом. Снимают такую характеристику при работе дизеля с постоянной частотой вращения коленчатого вала, принятом часовом расходе топлива и других оптимальных показателях. Для снятия характеристики рейку топливного насоса закрепляют в положении полной подачи топлива (начало включения корректирующего устройства). Последовательно изменяя специально установленной муфтой угол опережения подачи топлива, определяют эффективную мощность дизеля. На характеристике видно что максимальную эффективную мощность 55 кВт и минимальный удельный расход топлива 268 г/кВт ч дизель имеет, если начинать топливо подавать, когда кривощип коленчатого вала не доходит до верхней мёртвой точки на θ=19о. Это и есть оптимальный угол опережения подачи топлива.

Рис.10. Регулировочная характеристика по углу опережения подачи топлива насосом дизеля А-41.

 

К числу регулировочных относятся характеристики, показывающие изменение мощности и удельного расхода топлива в зависимости от ряда факторов: давления на впуске и выпуске и др.

Скоростная характеристика показывает зависимость энергетических и экономических показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при постоянном положении дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, то есть представляет собой графическое изображение (рис.11, 12) зависимостей Ne=f(n), Mk=f(n), GT=f(n), ge=f(n).

Скоростная характеристика, снятая при полностью открытой дроссельной заслонке или полной подаче топлива и при углах опережения зажигания или начала подачи топлива, указанных в технических условиях на двигатель, называется внешней.

Скоростные характеристики, полученные при неполных, но постоянных для каждой характеристике степенях открытия дроссельной заслонки при положениях рейки топливного насоса, называются частичными.

Скоростные характеристики снимают, постепенно увеличивая нагрузку (тормозя двигатель). Частота вращения коленчатого вала снижается до значения nmin (см. рис.11), при котором ещё возможна устойчивая работа двигателя. Для каждого скоростного режима (опыта), если это предусмотрено конструкцией двигателя, автоматически устанавливается наивыгоднейший угол опережения зажигания и начала подачи топлива. На внешней скоростной характеристике карбюраторного двигателя отметим следующие точки: А – максимальная мощность двигателя Nemax, при этом частота вращения коленчатого вала n2; Б - мощность, при которой крутящий момент максимален Мкmax, а частота вращения коленчатого вала n2; В – мощность, соответствующая минимальному удельному расходу топлива gemin; а – крутящий момент МкN на режиме максимальной мощности; Г – номинальная мощность Neн; б – крутящий момент на режиме номинальной мощности; nн – частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности.

Рис.11. Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя.

 

На внешней скоростной характеристике дизеля (см. рис.12) отметим две точки: А – мощность при номинальном удельном расходе топлива и Б - мощность, соответствующая началу работы дизеля с дымлением. Длительная работа дизеля с дымлением недопустима, поскольку вызывает его перегрев и интенсивное нагарообразование.

Рис.12. Внешняя скоростная характеристика дизеля.

 

Скоростную характеристику с регуляторной ветвью (регуляторную характеристику) снимают при положении органов управления регулятором скорости, соответствующим полной подаче топлива. Она показывает зависимость расхода топлива, крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала от мощности двигателя.

Регуляторную характеристику (рис.13), то есть зависимости

n=f(Ne), Mk=f(Ne), GT=f(Ne), ge=f(Ne),

строят в результате проведения ряда опытов с постепенной загрузкой двигателя, начиная от нулевой, соответствующей частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу, до номинальной нагрузки. При этом работой двигателя управляет регулятор. Чтобы более полно выявить показатели двигателя, его продолжают загружать и после получения номинальной мощности, когда регулятор уже не управляет работой двигателя, то есть при работе с перегрузкой. Полученные участки кривых – части внешней скоростной характеристики.

 

Рис.13. Регуляторная характеристика дизеля Д-240.

 

На регуляторной характеристике отметим точки: а – Номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя nн, при которой мощность номинальная Ne н; б – крутящий момент Мк н при номинальной мощности; в - часовой расход топлива GT H при номинальной мощности; г – удельный расход топлива ge н при номинальной мощности.

На скоростной (безрегуляторной) части характеристики интерес представляют точки: д – максимальный крутящий момент Мк max; e – частота вращения коленчатого вала двигателя при максимальном крутящем моменте.

Энергетические и экономические показатели нового, отремонтированного или находящегося в эксплуатации двигателя могут быть проверены по его скоростной или регуляторной характеристике.

У дизелей кривая зависимость Мк=f(n) (см. рис.12) более пологая, чем у карбюраторных двигателей, что объясняется конструктивными особенностями топливных насосов. Для устранения некоторых этого недостатка регуляторы топливных насосов имеют корректоры, которые увеличивают подачу топлива за цикл на режимах перегрузки, улучшая характеристику крутящего момента.

Способность двигателя преодолевать кратковременные увеличения внешних сил сопротивлений трактора или автомобиля без перехода на низшую передачу характеризуется корректорным коэффициентом запаса крутящего момента в процессах:

 

μ=	Mk max – Mk N	100.
	Mk N

 

Для тракторных двигателей и двигателей грузовых автомобилей, работающих, как правило, с полным использованием мощности, корректорный коэффициент запаса крутящего момента, обеспечивающей хорошие динамические качества, должен составлять 15…20%.

В условиях эксплуатации важно знать (хотя бы приблизительно), насколько полно загружен двигатель при работе трактора с данным агрегатом. Для этого в процессе работы трактора измеряют массу топлива, израсходованного за контрольную смену. Определяют расход топлива, разделив его массу в граммах на время смены в секунду. Полученное значение расхода топлива переносят на регуляторную характеристику данного двигателя и находят среднее значение мощности, характеризующее загрузку двигателя в течении смены.

Нагрузочная характеристика показывает зависимость экономических показателей двигателя от нагрузки при постоянной частоте вращения коленчатого вала, то есть отражает зависимость:

GT=f(Ne), ge=f(Ne) или GT=f(MK), ge=f(MK).

При анализе нагрузочных характеристик можно выразить экономичность работы двигателя на различных частотах вращения коленчатого вала в условиях неполного использования мощности двигателя. Каждую характеристику снимают при постоянной частоте вращения коленчатого вала последовательным увеличением подачи топлива, начиная с режима холостого хода до нагрузок, соответствующих полной подаче топлива.