Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателяPost navigation

Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателяPost navigation

n – частота вращения коленчатого вала, мин -1 .

Таким образом, при прочих равных условиях, крутящий момент пропорционален величине среднего давления р_е, а эффективная мощность прямо пропорциональна произведению р_е·n. В свою очередь величина р_е зависит от среднего индикаторного давления р_i и среднего давления механических потерь p_м.

(2.3)

Рассмотрим отдельно факторы, определяющие изменение величин р_i и p_м в зависимости от скоростного режима работы двигателя

(2.4)

где A – постоянный для данного двигателя коэффициент, учитывающий тактность и рабочий объем двигателя;

Q_H – низшая теплота сгорания топлива;

L – количество молей воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива;

η_м – индикаторный КПД двигателя;

Поскольку при снятии скоростной характеристики величиныипрактически остаются постоянными, то изменение величины будет зависеть лишь от изменения величин и

На рис. 2.2 показано изменение величин , и по внешней скоростной характеристике карбюраторного двигателя.

Рис. 2.2. Внешняя характеристика карбюраторного двигателя

еличина , характеризующая эффектвность протекания рабочего процесса в цилиндре, увеличивается с ростом скоростного режима, причем с увеличением скорости вращения вала рост постепенно замедляется. Причинами повышения являются улучшение процесса смесеобразования и уменьшение относительных потерь тепла в стенки цилиндра за время рабочего хода.

Коэффициент наполнения изменяется с ростом числа оборотов более сложным образом. Наполнение цилиндров зависит в основном от гидравлического сопротивления системы газообмена, подогрева заряда при впуске, а также от колебательных процессов, происходящих в впускной и выпускной системах. Поэтому на величину в значительной мере влияет выбор фаз открытия и закрытия клапанов.

Фазы газораспределения выбираются в зависимости от типа и назначения двигателя, так, чтобы при определенном скоростном режиме (при n_{ηv max} ) достигалось наилучшее наполнение цилиндров. Ниже этого числа оборотов, коэффициент наполнения цилиндров снижается, т.к. уменьшается дозарядка цилиндра и даже возможен обратный выброс заряда из цилиндра через клапан во впускной трубопровод. При повышении скоростного режима от n_{ηv max} наполнение уменьшается из-за увеличения гидравлических потерь в системе впуска, которые возрастают пропорционально квадрату скорости движения смеси в трубопроводе.

Рис. 2.3. Мощностной

результате суммарного воздействия обеих факторов (и ) при увеличении скоростного режима среднее индикаторное давление p_i сначала возрастает, достигая максимального значения при определенном числе оборотов n_{Pi max}, а затем уменьшается. Как правило, обороты, при которых достигается максимальное значение p_i несколько выше оборотов, соответствующих максимуму коэффициента наполнения (рис.2.2).

Величина среднего значения механических потерь р_м при увеличении числа оборотов двигателя возрастает по закону, близкому к линейному. При некотором числе оборотов кривые р_м и р_i, пересекаются и эффективная мощность будет равна нулю (рис. 2.3).

Это так называемое разносное число оборотов n_разн, при котором двигатель будет работать на режиме холостого хода, т.к. вся индикаторная мощность затрачивается на преодоление механических потерь.

С увеличением числа оборотов от n_min величина p_e, а, следовательно, и крутящий момент двигателя возрастают и достигают максимальных значений при определенном числе оборотов n_Mmax При дальнейшем увеличении числа оборотов величина р_е и крутящий момент M_e начинают уменьшаться, однако эффективная мощность, пропорциональная произведению Р_е·n, продолжает возрастать и достигает своего максимального значения при более высоком числе оборотов n_{Ne max} . Для транспортных двигателей значение n_{Ne max} всего составляет 0,5-0,65 n_{Mе max} .

При увеличении скорости вращения вала выше n_{Ne max} эффективная мощность двигателя будет быстро падать из-за уменьшения коэффициента наполнения и увеличения механических потерь. При числе оборотов n_разн эффективная мощность станет равна нулю. Практически двигатели при таких скоростных режимах не работают.

Рассмотрим характер изменения часового и удельного расходов топлива по внешней скоростной характеристики, для чего обратимся к выражению, связывающему часовой расход топлива с параметрами рабочего процесса двигателя

(2.5)

где C₂ – коэффициент, учитывающий конструктивные особенности двигателя, физико-химические свойства и состав бензовоздушной смеси.

Как видно из формулы (2.5), при постоянном составе смеси величина часового расхода топлива в первую очередь определяется числом оборотов двигателя и коэффициентам наполнения.

При увеличении скоростного режима двигателя часовой расход топлива возрастает, однако, по мере уменьшения коэффициента наполнения, расход топлива увеличивается все в меньшей степени(рис. 2.4).

Рис. 2.4 График расхода топлива (удельного и часового)

инимальная величина удельного расхода топлива по внешней скоростной характеристике обычно наблюдается в зоне средних оборотов. Увеличение удельного эффективного расхода топлива с уменьшением числа оборотов объясняется возрастанием тепловых потерь, в первую очередь, обусловленных ухудшением процесса смесеобразования. С увеличением числа оборотов удельный расход топлива возрастает из-за увеличения механических потерь и соответствующего снижения η_М. Поскольку эффективный удельный расход топлива определяется по формуле

(2.6)

то на скоростных режимах работы двигателя, при которых среднее эффективное давление, а следовательно, и эффективная мощность равны нулю (n_разн), величина g_e стремится к бесконечности.

Протекание рабочих циклов карбюраторных двигателей на прикрытых дроссельных заслонках связано с понижением всех давлений цикла, уменьшением количества тепла, выделяющегося при сгорании и более медленном его протекании. Одновременно с этим при меньших нагрузках возрастают относительные величины насосных, тепловых и механических потерь.

В соответствии с этим изменяется характер скоростных характеристик, на рис. 2.5 показаны внешняя скоростная характеристика (кривая 1), три

Рис. 2.5. Скоростные характеристики карбюраторного двигателя и соответствующие им кривые мощности (Ne) и расхода топлива (g_e):

1 – дроссельная заслонка открыта на 100% (внешняя характеристика)

2 – дроссельная заслонка открыта на 60%

2 – дроссельная заслонка открыта на 40%

4 – дроссельная заслонка открыта на 20%

частичные скоростные характеристики (кривые 2, 3 и 4), т. е. мощности и соответствующие им удельные расходы топлива при открытии дроссельной заслонки на 100, 60,40 и 20%. Чем больше прикрыта дроссельная заслонка, тем ниже давления цикла и заметнее возрастает по относительной величине (т. е. в процентах) сумма ранее указанных потерь. Поэтому максимумы кривых эффективных мощностей по мере прикрытия дроссельной заслонки сдвигаются в сторону меньших чисел оборотов, а удельные расходы возрастают сильнее. Действительно, если при 100%-ном открытии дроссельной заслонки максимум кривой мощности имел место при 3000 мин -1 , то при 60% эта точка сдвигается к 2500 мин -1 , при 40% – к 1500 и 20% – к 1000 мин -1 .

Внешняя скоростная характеристика дизеля

Ряд зависимостей параметров дизеля от частоты вращения (мощность, крутящий момент, удельный эффективный расход топлива) качественно имеют такой же вид, как в случае ДсИЗ, внешняя характеристика которого рассмотрена выше. Близки и объяснения характера этих зависимостей. Поэтому ниже рассматриваются лишь особенности, присущие дизелю.

На рисунке 4.10 приведена внешняя скоростная характеристика (ВСХ) дизеля грузового автомобиля с регулируемым наддувом. Собственно внешней скоростной характеристикой является изменение показателей в пределах от минимальной частоты вращения коленчатого вала «_min до номинальной я_ном.

На участке от л_ном до максимальной частоты вращения холостого хода п_х тах зависимости показателей от частоты вращения называют регуляторной ветвью внешней характеристики. Диапазон изменения частоты вращения по регуляторной ветви определяется системой управления или регулятором частоты вращения. При этом изменение показателей объясняется теми же факторами, которые отвечают за изменения показателей по нагрузочной характеристике (см. подраздел 4.3), с той лишь разницей, что здесь на них оказывает небольшое влияние изменение частоты вращения.

Рассмотрим внешнюю скоростную характеристику.

Изменение индикаторного КПД г|₍ по ВСХ объясняется факторами, определяющими влияние частоты вращения на процессы смесеобразования и тепловыделения. Уменьшения потерь теплоты в систему охлаждения при увеличении п в связи со снижением длительности цикла приводит к росту Г|_;.

Как видно на рис. 4.10, в случае использования управляемого газотурбинного наддува а незначительно снижается на режимах наиболь-

Рис. 4.10. Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателя с турбонаддувом с регуляторной ветвью

ших значений крутящего момента и растет к режиму минимальных частот вращения вследствие достаточно резкого уменьшения цикловой подачи топлива. Последнее обеспечивается системой управления для выполнения требований по ограничению выброса частиц и ограничению тепловой напряженности деталей.

Среднее эффективное давление, крутящий момент, мощность двигателя и эффективный КПД определяются как произведение соответствующих индикаторных показателей на механический КПД.

Механический КПД г|_м увеличивается приуменьшении частоты вращения за исключением участка резкого снижения крутящего момента при приближении к минимальной рабочей частоте вращения. Эффективный КПД г_е растет при снижении частоты вращения до 1200 мин -1

вследствие увеличения г|_м. Соответственно снижается удельный эффективный расход топлива g_e. При дальнейшем уменьшении частоты вращения изменения и g_e определяются снижением индикаторного и механического КПД.

Коэффициент наполнения дизеля с газотурбинным наддувом увеличивается при уменьшении частоты вращения вплоть до режимов п = 1000. 1200 мин -1 . Это связано с ростом давления наддува. Изменение отношения давлений на впуске и выпуске дизеля с частотой вращения также способствует улучшению газообмена. При п -1 масса поступающего заряда уменьшится из-за падения давления наддува.

Плотность надувочного воздуха увеличивается вплоть до п = 1200 мин -1 из-за роста давления наддува. При дальнейшем уменьшении частоты вращения управление газотурбинным наддувом не может обеспечить увеличения плотности поступающего в цилиндры воздуха. Поэтому она падает, и это оказывает решающее влияние на снижение среднего индикаторного давления.

На изменение среднего эффективного давления р_е дополнительно влияет описанное выше изменение р_м. Однако характеры изменения p_t и/)_ев функции частоты вращения близки. Крутящий момент М_к пропорционален р_е. Значительное падение М_к при частоте вращения ниже максимума момента п_и характерно для подавляющего большинства дизелей с управляемым газотурбинным наддувом. Обеспечить высокое значение М_к при низких частотах вращения можно, применив комбинированный наддув, при котором в зоне низких частот вращения давление наддува обеспечивается преимущественно приводным нагнетателем, а в зоне высоких — ТКР. Однако это существенно усложняет дизель.

Температура газов перед турбиной Т_т возрастает с увеличением частоты вращения вплоть до п = 1400 мин -1 . Это связано со снижением потерь теплоты в среду охлаждения и с несколько более поздним завершением процесса горения. Оказывает влияние также характер изменения коэффициента избытка воздуха. Поэтому Т_т при п > 1400 мин -1 несколько снижается вследствие роста избытка воздуха.

Приведенная внешняя характеристика является типичной для современных дизелей большегрузных автомобилей и больших городских автобусов по величине запаса крутящего момента (почти 38%) и величине максимального значения эффективного КПД (0,45).

Внешние характеристики дизелей легковых автомобилей отличаются существенно большим диапазоном частот вращения (до

4500 мин -1 и выше). У них несколько ниже значения эффективного КПД (до 0,42 на режиме максимального крутящего момента и до 0,38 на номинальном режиме). Объясняется это увеличением потерями теплоты в охлаждающую жидкость (из-за большей интенсивности теплоотдачи и отношения поверхностей теплоотдачи к рабочему объему); большими удельными механическими потерями (из-за больших скоростей поршня).

Внешняя скоростная характеристика дизеля

Цикловая подача воздуха зависит от V_hh_vr_k. В дизеле без наддува r_k = r и изменение цикловой подачи воздуха в зависимости от частоты вращения целиком определяется характером изменения коэффициента наполнения.

В общем случае характер зависимости a (см. рис. 1.1, а) от частоты вращения определяется комплексом . Воздействуя на цикловую подачу топлива Q_ц, можно обеспечить любой характер зависимости a = f(n).

, (2.6)

, (2.7)

, (2.8)

где ; r_т – плотность топлива.

Таким образом, характер изменения a с частотой вращения является одним из основных управляющих факторов при формировании внешней скоростной характеристики.

Для дизеля без наддува

,

где .

Рис. 2.2. Скоростные характеристики дизельного двигателя

Если изменять цикловую подачу топлива так, чтобы значение a оставалось неизменным, то момент будет изменяться пропорционально произведению h_vη_iη_м. В этом случае при снижении частоты вращения η_i уменьшается, а η_м возрастает. Максимум М_к получим при h_vη_iη_м = max. Дополнительное увеличение M_к можно получить снижая до определенных пределов a. В этом случае при уменьшении n более существенно, чем при a = idem, будет снижаться η_i (см. штриховые кривые на рис. 2.2). Здесь ограничение по снижению a связано с нормами дымности. Поэтому возможности повышения коэффициента запаса крутящего момента в дизеле без наддува ограничены и он обычно не превышает 10. 12%.

Для дизелей без наддува и с нерегулируемым наддувом помимо прямой коррекции скоростной характеристики топпивоподачи вынуждены прибегать к обратной коррекции. Этим достигается снижение дымности отработавших газов при работе дизеля с полной нагрузкой в зоне малых частот вращения.

Характер зависимости a = f(n) в большей мере определяет изменение η_i и температуры ОГ. Как правило, η_i при увеличении частоты вращения возрастает, а температура отработавших газов t_г повышается, если коэффициент избытка воздуха остается при этом неизменным или незначительно возрастает. При заметном увеличении a, начиная с определенной частоты вращения, t_г понижается с ростом n. Чтобы избежать уменьшения η_i при снижении частоты вращения (по сравнению с величиной η_i при номинальной частоте вращения), необходимо обеспечить заметное увеличение a. Это возможно осуществить соответствующим выбором сочетания характеристики топливоподачи и характеристик агрегатов, обеспечивающих наддув. Как показано выше, существенное увеличение a при снижении n затруднительно, так как необходимо одновременно достигнуть определенного запаса крутящего момента.

В дизеле без наддува r_k = r = const и, следовательно, харак-тер изменения М_к (2.8) и р_е (2.6) от частоты вращения определяется выражением (η_i/a)η_vη_м. При уменьшении n снижается η_i/a, если одновременно a незначительно растет. Аналогичное по характеру, но более слабое изменение η_i/a имеет место при a = const.

Несмотря на это, М_к при снижении частоты вращения от n_н до n_Mkmax растет из-за преобладающего влияния увеличения η_v и особенно η_м (см. рис 1.1, б). При дальнейшем снижении n крутящий момент уменьшается из-за преобладающего влияния уменьшения η_i/a и η_v. Увеличение коэффициента запаса крутящего момента можно в рассматриваемом случае достигнуть коррекцией скоростной характеристики топливоподачи. При этом a будет уменьшаться по мере снижения n, η_i, но будет обеспечено увеличение η_i/a и М_к. Следовательно, получение необходимого запаса крутящего момента сопряжено со снижением η_i. Запас крутящего момента дизелей с ненастроенными и нерегулируемыми системами газотурбинного наддува может быть меньше, чем у дизелей без наддува, из-за уменьшения r_k при снижении частоты n. Если путем соответствующей организации воздухоснабжения сохранять при сни-жении n достаточно высокое значение η_i, то увеличением цикловой подачи топлива можно достигнуть необходимого прироста крутящего момента.

Для дизелей без наддува и особенно с нерегулируемой и ненастроенной системой наддува М_к сравнительно мало изменяется в зависимости от частоты вращения.

При снижении частоты вращения η_i, как правило, уменьшается, а η_м увеличивается. Удельный эффективный расход топлива g_e достигает минимума обычно при некоторой средней частоте вращения, когда обеспечивается максимум произведения η_iη_м.

Если на дизеле нет автомата угла опережения впрыскивания, а оптимальное значение последнего выбирают при частоте вращения, близкой к номинальной, то в зоне малых частот j_о.вп оказывается чрезмерно большим, что влечет за собой повышенные значения максимального давления Р_z, l, (Dр/Dj)_mах, температуры деталей, содержания в ОГ оксидов азота и пр. Если j_о.вп при всех частотах вращения близок к оптимуму, то, как правило, максимальное давление сгорания растет при увеличении n, причем особенно резко на дизеле с нерегулируемым наддувом. Характер изменения (Dр/Dj)_mах = f(n) зависит от индивидуальных особенностей двигателя.

Дымноcть ОГ, как правило, снижается, а содержание оксидов азота растет при увеличении частоты вращения.

N_e, M_к, Р_е и расходы топлива по внешней скоростной характеристике приводятся к стандартным атмосферным условиям: барометрическое давление – 100 кПа, температура воздуха – 25 °С и относительная влажность воздуха – 50%. Стандартную температуру топлива принимают 25 °С, а стандарт-ную плотность топлива – 0,823 т/м 3 .

Регуляторная ветвь скоростной характеристики дизеля. Решающую роль в формировании зависимости показателей дизеля от частоты вращения по регуляторной ветви играет уменьшение цикловой подачи топлива с ростом n, осуществляемое автоматическим регулятором. Так как диапазон изменения n по регуляторной ветви невелик, то изменение показателей дизеля связано в основном с изменением нагрузки. Поэтому для анализа регуляторной ветви скоростной характерис-тики можно воспользоваться сведениями, приведенными при рассмотрении нагрузочной характеристики. Отметим лишь, что по регуляторной ветви несколько резче падает h_м, так как кроме уменьшения нагрузки это вызывается также одновременным небольшим ростом частоты вращения. Коэффициент наполнения может не изменяться по регуляторной ветви, поскольку влияние уменьшения подогрева компенсируется увеличением потерь давления во впускной системе из-за повышения скорости движения заряда с ростом n.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы особенности определения внешней характеристики дизеля и что такое эксплуатационная внешняя характеристика?

2. Назовите характерные режимы внешней характеристики.

3. Объяснить характер изменения по скоростной характеристике следующих параметров: α, η_v, η_м, η_i.

4. От каких факторов зависит характер изменения М_е или р_е по скоростной характеристике?

5. Что такое коэффициент запаса крутящего момента?

6. Чем объясняется характер изменения кривых N_e и g_e по скоростной характеристике?

7. Для чего осуществляют коррекцию подачи топлива по частоте вращения и как при этом происходит изменение основных показателей рабочего процесса?

8. Почему на дизелях необходимо устанавливать регуляторы частоты вращения?

9. Каково назначение двухрежимного и всережимного регу-ляторов?

10. Какова методика снятия скоростной характеристики на стенде?

Внешняя скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью.

31.1. Рассмотрите условия определения характеристики. Для каких целей она определяется?

Условия: 1) Рейка топливного насоса установлена на максимальную подачу. 2) Максимальная затяжка пружины всережимного регулятора. 3) Частота меняется от минимальной до максимальной. Цели: 1) Ограничение максимальной и минимальной частот вращения. 2) Обеспечение повышенной устойчивости работы. 3) облегчение труда водителя.

31.2. Какой участок характеристики называется собственно внешней характеристикой и какой регу­ляторной ветвью?

Участок характеристики n_min…n_ном – собственно внешняя характеристика, а n_ном…n_x.x.max – регуляторная ветвь.

31.3. Как можно влиять на протекание крутящего момента по внешней характеристике дизеля? Что называется коэффициентом приспособляемости и коэффициентом запаса крутящего момента? Какую роль играет для транспортного средства запас крутящего момента? Какие значения имеют коэффици­енты приспособляемости и запаса крутящего момента для дизелей без наддува и с наддувом?

Можно влиять: 1) регулятором частоты вращения. 2) Цикловой подачей топлива. 3) Индикаторным и механическим КПД. 4) Коэффициентом наполнения. Важно, чтобы максимальный крутящий момент М_кmax превышал момент на номинальном режиме М_кн. Для количественной оценки изменения М_к по ВСХ применяют коэффициент запаса крутящего момента М=(М_кmax-М_кн)/М_кн*100%, коэффициент приспосабливаемости К_М=М_кmax/М_кн и скоростной коэффициент К_n=n_м/n_н. Наличие достаточного запаса М_к облегчает управление двигателем, позволяя водителю реже применять регулировку режима путем изменения подачи топлива. С этих позиций целесообразно увеличение M и К_М и уменьшение К_n. Для дизелей с наддувом М=35…40%, без наддува 10…12%.

31.4. Как обычно изменяются коэффициент наполнения и коэффициент избытка воздуха по внешней скоростной характеристике и регуляторной ветви дизелей без наддува и с наддувом?

См. рис. Л/р. Изменение h_V обусловлено: гидравлическим сопротивлением впускной системы, подогревом свежего заряда, дозарядкой, фазами газораспределения.

31.5. Как обычно изменяются по внешней скоростной характеристике и регуляторной ветви дизелей индикаторный, механический и эффективный КПД (удельный эффективный расход топлива) темпе­ратура и дымность выпускных газов. Объясните характер этих зависимостей.

31.6. Чем ограничивается подача топлива на режимах внешней характеристики?

Корректором частоты вращения, т.к. подача – функция частоты, а при отсутствии корректора подача неограниченно увеличивается с ростом частоты вращения.

Внешние характеристики дизеля

Внешней характеристикой дизеля называется зависимость показателей его работы от частоты вращения при неизменном положении топливной рейки (или неизменном активном ходе плунжера ТНВД). По внешней характеристике работают главные судовые и транспортные дизели, оснащенные предельными регуляторами частоты вращения, у которых изменяется нагрузка (к примеру, увеличивается сопротивление движению судна из- за шторма или встречного ветра). Как правило, современные главные двигатели с электронными регуляторами в режиме «ограничение по топливу» также работают по внешней характеристике. Дизель-генераторы могут работать но внешней характеристике, когда нагрузка превышает предел, при котором топливная рейка доходит до упора.

В зависимости от величины активного хода плунжера различают следующие внешние характеристики: предельной мощности (активный ход — максимальный), номинальную (активный ход h_а соответствует 100%-ной цикловой подаче на номинальном режиме), эксплуатационную (h_а = 85-95% от номинального значения) и частичные внешние характеристики (h_а менее 85-95%). За 100% h_а принимается такой активный ход и такое положение топливной рейки, когда двигатель в нормальных условиях и при заводской регулировке развивает номинальную мощность при номинальной частоте вращения.

Закономерности изменения показателей дизеля на каждой из внешних характеристик примерно одинаковы. Поэтому для выяснения этих закономерностей достаточно рассмотреть номинальную внешнюю характеристику.

Изменение энерго-экономических показателей

Изменение энерго-экономических параметров, характеризующих работу дизеля на внешней характеристике, зависит главным образом от 2-х факторов: изменения цикловой подачи g_ц (или коэффициента подачи η_п) и коэффициента избытка воздуха на сгорание α при изменении частоты вращения и T.P.=const.

У большей части двигателей, работающих по внешней характеристике, цикловая подача топлива и коэффициент подачи возрастают при снижении частоты вращения. Это объясняется улучшением наполнения насоса и уменьшением потерь топлива при отсечке топливоподачи Процесс топливоподачи в ТНВД. Лишь у двигателей, имеющих ТНВД с регулированием по началу подачи, следует ожидать уменьшение цикловой подачи при снижении оборотов. Подробно об этом будет сказано при рассмотрении характеристик топливоподачи.

Изменение α определяется зависимостью:

• где V_s — рабочий объем цилиндра;
• η_н — коэффициент наполнения;
• γ_s — удельный вес воздуха;
• f_пл — площадь плунжера ТНВД;
• h_а — активный ход;
• η_п — коэффициент подачи;
• γ_т — удельный вес топлива;
• L_о — теоретически необходимое количество воздуха на сгорание 1 кг топлива;
• К_а — коэффициент пропорциональности.

Для 4-тактных двигателей без наддува удельный вес воздуха не изменяется на всех режимах: γ_s = γ_о = const, величина α определяется соотношением: α = f(η_н / η_п). Это соотношение незначительно уменьшается при снижении частоты вращения. Улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом из-за уменьшения гидравлического сопротивления клапанов компенсируется некоторым увеличением коэффициента подачи. Поэтому для 4-тактных двигателей без наддува может быть принято α ≈ const. Следовательно, может быть принят постоянным при работе по внешней характеристике и индикаторный кпд, который, прежде всего, определяется величиной α: η_i ≈ const.

Для двигателей с наддувом (как 2-х, так и 4-тактных) с уменьшением частоты вращения снижается давление наддува, следовательно, и плотность воздуха γ_s. Совместно с одно-временным увеличением цикловой подачи это приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха на сгорание (рис. №1). При этом снижается индикаторный кпд двигателя (тем в большей степени, чем больше увеличивается коэффициент подачи и снижается плотность воздушного заряда).

Наиболее благоприятной характеристикой, обеспечивающей минимальное падение плотности воздушного заряда при механическом наддуве Характеристики систем механического наддува , обладают поршневые компрессоры, затем следуют роторные и центробежные. В свою очередь, газотурбинный наддув при снижении оборотов обеспечивает более пологое изменение расхода воздуха, чем механический наддув, за счет ухудшения индикаторного процесса в цилиндре и некоторого увеличения при этом располагаемой работы газа перед турбиной. Поэтому при газотурбинном наддуве падение индикаторного кпд менее значительно, чем при механическом наддуве.

Зависимость среднего индикаторного давления от частоты вращения может быть установлена из выражения;

• где K_pi — коэффициент пропорциональности;
• η_i — индикаторный кпд.

Рис. 1 Характер изменения энерго-экономических показателей дизеля при работе по внешней характеристике

Для 4-тактных двигателей без наддува, когда может быть принято равенство: η_i ≈ const, — P_i определяется только изменением цикловой подачи топлива g_ц (или коэффициента подачи η_п). Для большинства дизелей коэффициент подачи растет при снижении оборотов. Следовательно, растет и среднее индикаторное давление.

Аналогично для двигателей сгазотурбинным наддувом даже при некотором снижении экономичности индикаторного процесса при снижении оборотов по внешней характеристике среднее индикаторное давление Определение среднего индикаторного давления растет, поскольку растет цикловая подача топлива. Падение среднего индикаторного давления при уменьшении оборотов по внешней характеристике возможно лишь для дизелей с высоким наддувом из-за значительного снижения η_i, которое не компенсируется увеличением цикловой подачи.

Зависимость индикаторной мощности N_i(n) может быть записана в виде:

• где K_N — коэффициент пропорциональности;
• n — частота вращения.

Эта характеристика теоретически идет из начала координат. Мощность возрастает при увеличении частоты вращения, однако при приближении к номинальным оборотам рост N_i замедляется из-за снижения P_i (рис. №1).

Зависимость эффективной мощности от частоты вращения может быть записана как:

где η_м — механический кпд.

Кривая N_е(n) пойдет ниже кривой индикаторной мощности, поскольку механический кпд меньше 1. Механический кпд с уменьшением частоты вращения растет, так как мощность механических потерь N_м снижается более интенсивно, чем происходит уменьшение N_i. Изменение N_м подчиняется криволинейному закону:

где А — коэффициент пропорциональности;
β — показатель степени (β >1).

Если предположить, что при снижении частоты вращения P_i остается неизменным, то индикаторная мощность Индикаторная и эффективная мощность двигателя будет снижаться пропорционально частоте вращения, т.е. ее снижение будет менее интенсивным по сравнению с N_м. Возрастание P_i при снижении оборотов дополнительно снижает интенсивность уменьшения N_i. Вот почему η_м растет при снижении оборотов.

Влияние характера изменения η_м проявляется и в характере кривых Р_е(n) и η_е(n) (рис. №1).

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Внешняя скоростная характеристика дизеля

Отличительными особенностями дизелей являются меньшее сопротивление на впуске, а также возрастающие с ростом частоты вращения коленчатого вала механические потери и цикловая подача. Последнее происходит из-за уменьшения потерь через неплотности, при этом увеличивается так называемый активный ход плунжера ТНВД. Это в свою очередь приводит к неустойчивой работе дизеля при изменении частоты вращения коленчатого вала, т. е. с уменьшением нагрузки и соответственно возрастанием частоты вращения коленчатого вала может наблюдаться резкое ее увеличение вплоть до разноса двигателя. И, наоборот, при увеличении нагрузки и уменьшении частоты вращения коленчатого вала может произойти останов двигателя.

Поэтому, во-первых, изменение основных параметров цикла дизеля значительно отличается от карбюраторных двигателей и, во-вторых, диапазон эксплуатационных частот у дизелей значительно уже, чем у карбюраторных двигателей.

Пример внешней скоростной характеристики дизеля и изменение основных его параметров цикла при изменении частоты вращения коленчатого вала представлен на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Скоростные характеристики дизеля: а — зависимости изменений основных параметров цикла; б — зависимости изменений показателей работы двигателя

Кривая мощности N_e резко идет вверх с ростом частоты вращения коленчатого вала, что обусловлено одновременным ростом г|.„ х],, и цикловой подачи (7_ТЦ при небольшом изменении ц_м.

Рост коэффициента наполнения r_v на большей части, а у ряда дизелей и на всей скоростной характеристике, при одновременном росте цикловой подачи G_Tц создает условия для быстрого роста частоты вращения коленчатого вала до значений, грозящих разносу двигателя. Поэтому дизели имеют ограничения по частоте вращения коленчатого вала.

Кривая мощности дизельных двигателей имеет один перегиб г|_м, второй перегиб при больших значениях N_e у дизелей находится за пределами эксплуатационных частот вращения. Таким образом, дизели используют только часть скоростной характеристики, отличающуюся наиболее высокими значениями параметров г|_м, и гр.

Плавный характер изменения кривой М_к объясняется незначительными изменениями основных параметров цикла.

По этой же причине более плавный характер, чем у карбюраторных двигателей, имеют кривые g_e и G_T.

Так как дизель является двигателем с внутренним смесеобразованием и уже поэтому время, отведенное на смесеобразование у него сокращено, то очевидно, что с ростом частоты вращения коленчатого вала это время сокращается еще больше. Поэтому существуют такие значения частоты вращения коленчатого вала, когда происходит неполное сгорание топлива, но уже не по причине чрезмерной его подачи, как это наблюдалось по нагрузочной характеристике, а из-за недостатка времени на окисление топлива кислородом. В результате работа двигателя сопровождается появлением черного дыма в отработавших газах. Отрицательные последствия этого такие же, как и при работе дизеля в зоне дымления по нагрузочной характеристике. Но в отличие от нагрузочной характеристики работа дизеля в зоне дымления по скоростной характеристике имеет только нижнюю границу, а верхней не имеет (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Виды скоростных характеристик дизелей и области дымления: Г—1 — характеристика по пределу дымления; 2’—2 — характеристика максимальной мощности; 1—3 — эксплуатационная скоростная характеристика; 5—4 — эксплуатационная характеристика дизеля с всережимным регулятором; 5—6— эксплуатационная характеристика дизеля с корректором; 1—7— регуляторная характеристика с неправильно подобранным регулятором; 1—8— регуляторная характеристика с правильно подобранным регулятором; А—В — нижняя граница зоны дымления по частоте вращения; С—С — участок регуляторной характеристики с неправильно подобранным регулятором в зоне дымления

Источники:

http://studfile.net/preview/510819/page:10/
http://bstudy.net/602853/tehnika/vneshnyaya_skorostnaya_harakteristika_dizelya
http://mydocx.ru/1-13557.html
http://helpiks.org/8-14842.html
http://sea-man.org/vneshnie-harakteristiki-dizelya.html
http://studref.com/596275/tehnika/vneshnyaya_skorostnaya_harakteristika_dizelya