Неустановившиеся режимы работы двигателя

Общие положения. Режим работы двигателя, при котором крутящий момент и частота вращенияKBизменяются во вре­мени, называют неустановившимся. Достаточным признаком НУР согласно уравнению

служит выполнение хотя бы одного из условий:

В процессе движения автомобиля на НУР ДВС приходится до 95 % времени. От одного НУР к другому реализуются переход­ные режимы. При увеличении скорости ТС эти режимы назы­вают разгоном, а при возрастании нагрузки — приемом нагруз­ки. К режимам, существенно влияющим на производительность ТС, относят также работу двигателя с постоянной мощностью при преодолении автомобилем повышенного сопротивления движению и пуск двигателя.

Двигатель может работать на НУР при сочетаниях угловой скорости KBи положения органа регулирования подачи топ­лива свойственных установившимся режимам. Характерис­тики двигателей на НУР в условиях, совпадающих с условиями определения статических характеристик, называются динами­ческими.

Динамические характеристики могут быть пред-

ставлены в поле установившихся режимов работы. Это позво­ляет применять для анализа статических и динамических ха­рактеристик одни и те же базовые зависимости и определять сте­пень использования статических возможностей двигателя в усло­виях НУР. Мгновенные значения крутящего момента на переход­ных режимах, как правило, меньше, чем при работе на соответ­ствующих режимах статической характеристики [9] (рис. 4.21).

Из параметров состояния двигателя наибольшую динамику имеет угловая скорость KB Поэтому переходный режим иден­тифицируют по Продолжительность переходного режима слу­жит основным показателем динамических свойств двигателя.

НУР двигателя характеризуются недостаточно интенсивным нарастанием при разгоне или приеме нагрузки, повышен­ным износом и расходом топлива, чрезмерной дымностью и токсичностью ОГ.

Работа двигателя с потребителем мощности в условиях НУР. Двигатель и его потребитель — движитель образуют вра­щательную систему с одной степенью свободы и одной обоб­щенной координатой — углом поворота КВ. Уравнение дина­мического равновесия вращающихся масс имеет вид

где крутящие моментыKBи потребителя; приведенные моменты инерции вращающихся и поступательно движущихся масс двигателя и потребителя.

Рис. 4.22. Изменение параметров двигателя при НУР (точки на кривых соответствуют равенству крутящих моментов KBдвигателя и потре­бителя угловое ускорениеKB

На рис. 4.22 показано изменение параметров двигателя в ус­ловиях НУР. В зависимости от знака дисбаланса моментов, т. е. разности - KBвращается с положительным или отрицательным угловым ускорением По достижении условия

монотонный процесс изменения со заканчивается, и тогда Длительность переходного процесса определяется отрезком времени между смежными точками, для которых вы­полняется условие

При одинаковых момент развиваемый при наличии ускоренияKB, отличается от значения, соответствующего установившемуся режиму, и тем существеннее, чем больше

При анализе неустановившихся режимов используют также уравнение мощностного баланса

где мощности двигателя и потребителя; мощность, определяющая скорость изменения кинетической энер­гии системы, Избыток мощности затрачи­вается на увеличение кинетической энергии, и угловая скорость возрастает (см. рис. 4.22). При недостатке мощности часть энер­гии системы расходуется на покрытие дисбаланса, и уменьша­ется. Крутящий момент, требуемый для поддержания мощност­ного баланса или реализации ускоренияKB, при снижающихся обеспечивается большими затратами топлива. Сходственные условия работы. Работу двигателя на уста­новившихся и неустановившихся режимах при одних и тех же (средних за время цикла) значениях называют работой в сходственных условиях.

На установившихся режимах однозначно определяют и мощность двигателя (см. рис. 4.19). Подаче топлива соответству­ют стабилизированные параметры рабочего цикла и теплового со­стояния, обеспечиваемые согласованной настройкой систем дви­гателя. При НУР изменяются, поэтому условия протекания смежных рабочих циклов в цилиндре различаются. Для дизелей, например, в период движения рейки ТНВД к упору (и в упоре) впрыскивание и отсечка подачи топлива происходят при изменя­ющихся от цикла к циклу значениях угловой скоростиKBи дав­ления газов в цилиндре. Следствием этого являются разные ос­таточные давления топлива в нагнетательном трубопроводе в смежных циклах, что приводит в фазе впрыскивания к отличию и качества распыления топлива от тех же показателей в сход­ственных условиях установившегося режима. Разница значений достигает

При НУР из-за рассогласования процессов теплопередачи температура деталей и рабочего тела не успевает следовать за процессом тепловыделения при сгорании топлива в условиях изменяющихся цикловых подач. Снижение из-за отклонения параметров теплового состояния и ухудшения условий очистки цилиндров может составлять 12 %.

Сходственный рабочий цикл. Рабочие циклы, осуществля­емые в сходственных условиях, называют сходственными. Сре­ди них цикл установившегося режима называют базовым. Не­идентичность сходственных циклов проявляется в смещении характерных точек индикаторной диаграммы относительно ВМТ и изменении характеристик тепловыделения. Наибольшие отклонения наблюдаются при резком увеличении В резуль­тате совместного влияния множества факторов оказывается ниже, чем в базовом цикле. Более низкие значения в сходственных циклах НУР являются причиной увеличения (на величину, достигающую 25 %) расхода топлива на единицу ра­боты, произведенной двигателем.

Разгон двигателя. Время разгона зависит от избыточной мощности Минимальное значение достигается при работе двигателя по динамической ВСХ. Оно больше теорети­ческого значения определяемого по статической ВСХ. Отно­шение показывает, во сколько раз средняя за разгон избыточная мощность меньше средней избыточной мощности, развиваемой по статической ВСХ. Для транспортных ДВС = 0,7... 0,95. Экономичность двигателя за время разгона ТС оце­нивают при условии, что работа совершена при среднем значе­нии эффективной мощности

где угловые скорости, отвечающие началу и окончанию разгона; первое слагаемое — мощность, отбираемая потребите­лем; второе — мощность, обеспечивающая изменение энергии вращающихся масс системы двигатель —потребитель.

При известном расходе топлива на разгон получают средний приведенный (к 1 ч) удельный эффективный расход топлива за время разгона

Помимо этого используют показатель (значение достигает 1,4).

Экономичность разгона ТС оценивают экономическим КПД разгона При отбираемой потребителем мощности механическом КПД передачи и массе

При разгоне эффективный КПД двигателя и механический КПД передачи не только переменны во времени, но и раз­личаются по характеру изменения. Возрастание крутящего мо­мента вращающихся масс потребителя, связанное с уменьшени­ем КПД передачи, вызывает перегрузку двигателя, ухудшает экономичность ТС и увеличивает время разгона. Целесообраз­на работа двигателя с максимальным дисбалансом моментов и при оптимальных соотношениях или сокращение времени его работы при низких значениях этих КПД. Эко­номический КПД разгона составляет 0,15...0,25.

Прием нагрузки. Данный режим реализуется при росте со­противления движению ТС. Желательно, чтобы прием нагруз­ки происходил при постоянной мощности (см. кри­вые 5, 6 на рис. 4.21). ВСХ ДВС, однако, при снижении не обеспечивает этой закономерности, существенно отклоняясь от нее при

Пуск и прогрев двигателя. Топливная аппаратура дизелей при пусковых значениях не обеспечивает эффективной пода­чи топлива. Давление в линии нагнетания топлива мало, а низ­кое давление впрыскивания холодного топлива с повышенной вязкостью препятствует его высококачественному распылению. Дальнобойность факела топлива увеличенная, он попадает на стенки КС. При впрыскивании малых порций топлива возмож­ны отказы воспламенения (следуют пропуски циклов).

Для первых циклов характерны наибольшие значения перио­дов задержки воспламенения топлива, превышающие продолжи­тельность его подачи. Темп нарастания давления газов может в 10—15 раз превышать номинальное значение, а максимальное давление цикла — в 1,5 — 2 раза. Для повышения надежности пуска во многих моделях дизелей, например КамАЗ-740, его осуще­ствляют при значении втрое превышающем номинальное. Нерегулярный, колебательный и циклический режимы.

Режим работы, при котором интервалы между последовательно поступающими импульсами крутящего момента меньше дли­тельности монотонного изменения а частота и амплитуда импульсов носят случайный характер, представляет собой нере­гулярный НУР. Такие НУР присущи автомобилям в городах с интенсивным движением и при движении по бездорожью.

Изменение импульсов, повторяющееся в соответствии с по­следовательностью технологических циклов потребителя, харак­теризует циклический НУР, а чередование знакопеременных импульсов с одинаковыми амплитудами порождает колебатель­ный НУР. Эти режимы типичны для двигателей дорожно-строительных и подъемно-транспортных машин.

Представление НУР в виде процесса изменения параметров двигателя (см. рис. 4.22) позволяет разбить неустановившийся режим на элементарные переходные процессы, например, по признаку монотонности изменения

При длительной работе в условиях НУР параметры рабочих циклов и теплового состояния в каждом элементарном переход­ном режиме отличаются от параметров сходственных циклов установившихся режимов в меньшей степени, чем рабочие цик­лы единичного переходного режима. Тепловая и механическая инерционность рабочих тел и систем двигателя уменьшают (по сравнению с единичным переходным режимом) диапазон изме­нения параметров рабочего процесса. Чем ближе характер НУР к циклическому или колебательному, тем меньше отклонения параметров рабочего процесса и теплового состояния от сред­них значений. Минимизация доли неизбежно возникающих НУР и правильное их использование являются существенным резервом снижения энергозатрат ТС.

Учет изменения показателей двигателя на неустановив­шихся режимах. Работа на НУР характеризуется ухудшением показателей ДВС до уровня а также изменениями мощности и

по сравнению с показателями сходствен­ного установившегося режима.

Так как изменение показателей на НУР происходит в основ­ном из-за отклонений рабочего процесса от стационарного (ме­ханические потери и затраты на функционирование вспомога­тельных агрегатов изменяются мало), то можно анализировать влияние рассмотренных режимов на изменение индикаторных показателей поскольку при такой схеме

переносить приращение на эффективный

и выходной показатели двигателя.

Совокупность всех приведенных положений об эксплуатаци­онных режимах раскрывает характер составляющих формулы (4.1) для определения мгновенной эксплуатационной мощнос­ти двигателя, которой располагает трансмиссия.

Теперь можно ввести мгновенный эксплуатационный КПД двигателя

и мгновенный эксплуатационный удельный расход топлива,