Заняття 19. Швидкісні, навантажувальні та регулювальні характеристики двигунів

1. Вивчити сутність швидкісних, навантажувальних та спеціальних характеристик ДВЗ.

2. Ознайомитись із порядком побудови основних характеристик двигунів.

3. Виховувати у студентів здатність до творчого мислення, прагнення до володіння знаннями, почуття відповідальності за знання теорії і матеріальної частини автомобіля та гордість за обраний фах.

1. 1.1. Поняття про режими роботи і характеристики автомобільних двигунів.

Особливістю автомобільного двигуна являється його робота при змінному швидкісного режиму та навантаженні. При будь-яких умовах двигун повинен працювати стійко.

По умовам балансу потужності автомобіля двигун, крім потужності, що використовується для подолання опору кочення, опору повітря та тертя у силовій передачі, повинен мати певний запас потужності для подолання додаткових опорів, що виникають під час руху автомобіля на підйом, рушанні з місця, розгоні і т.п. На всіх експлуатаційних режимах двигун повинен працювати з максимальною економічністю.

Двигун для автомобіля обирають за характеристиками, що визначають всі якості даного двигуна і його придатність до роботи в різноманітних умовах. Ці характеристики дозволяють порівнювати між собою різні двигуни.

Характеристикою двигуна називається графічно виражена залежність основних показників його роботи від експлуатаційних, конструктивних та інших факторів.

В експлуатаційних умовах двигун майже весь час працює при неперервній зміні робочих режимів. Однак отримання повних даних, що характеризують роботу двигуна при таких режимах являється складною задачею тому загальноприйняті характеристики знімають при сталих режимах роботи у відповідності із стандартом. До таких характеристик належать швидкісні, навантажувальні та регулювальні.

За необхідності отримання більш повних даних, а також у випадку додаткових досліджень, розробляється методика, що передбачає зняття спеціальних характеристик.

Характеристика двигуна оцінює його роботу, дозволяє порівнювати між собою різні типи і марки, судити про якості нових зразків, визначати умови найбільш ефективного застосовування двигуна, давати оцінку технічного стану, якості ремонту, результатів виконаної модернізації.

Характеристики двигунів лежать в основі визначення тягових якостей, вантажопідйомності, прохідності і середніх швидкостей руху

1.2. Швидкісні характеристики двигунів.

В умовах експлуатації швидкісний режим часто змінюється. Частота обертання колінчатого валу визначальним чином впливає на параметри циклу і показники роботи двигунів. Тому метою отримання швидкісної характеристики являється встановлення закономірностей зміни показників роботи двигуна від частоти обертання колінчатого валу.

Швидкісна характеристика двигуна являє собою графічно виражену залежність потужності, обертового моменту, питомих та годинних витрат палива від частоти обертання колінчатого валу при постійному положенні дросельних заслінок або рейки паливного насосу і при постійних значеннях температури охолоджуючої рідини та масла.

Швидкісна характеристика, визначена при повністю відкритій дросельній заслінці (максимальній подачі палива) називається зовнішньою.

Характеристики, отримані при неповному відкритті дросельної заслінки або неповній подачі палива, називаються частковими.

Окремим випадком швидкісної характеристики являється характеристика холостого ходу, коли частота обертання колінчатого валу змінюється за рахунок зміни положення дросельної заслінки або рейки паливного насосу при відсутності зовнішнього навантаження (режим холостого ходу). Дана характеристика дозволяє оцінити витрати палива в залежності від частоти обертання колінчатого валу.

1.2.1. Зовнішня швидкісна характеристика.

Характерні точки зовнішньої швидкісної характеристики.

Автомобільний двигун не може сприймати навантаження при малій частоті обертання колінчатого валу. Це пояснюється тим, що при дуже малій частоті підвищена віддача теплоти, пропуск газів через поршневі кільця і невідповідність фаз газорозподілу призводять до різкого зниження масового наповнення і неможливості здійснення процесу згорання. Тому існує нижня межа частоти обертання колінчатого валу птіп, при якому двигун може стійко працювати у всьому діапазоні зміни навантаження.

Для заданого палива при незмінних умовах у впускній системі характер зміни середнього індикаторного тиску і прямо пропорційного йому обертового моменту в залежності від частоти обертання колінчатого валу можна вважати таким же як і характер зміни коефіцієнта наповнення (рис. 1).

Частина обертового моменту (середнього індикаторного тиску) витрачається на механічні втрати (рм). Ці втрати збільшуються з ростом частоти обертання і при певному їх значенні повністю поглинають всю індикаторну роботу двигуна. Частота обертання, при якій рі=рм являється граничною для двигуна і називається розносною прозн. За будь-якої частоти обертання рі-рм= ре. Очевидно, що при розносній частоті ре=0.

При збільшенні частоти обертання колінчатого валу ефективна потужність спочатку збільшується за рахунок збільшення частоти циклів, а потім, після досягнення максимального значення, зменшується за рахунок погіршення умов наповнення циліндрів та збільшення механічних втрат. Частота обертання колінчатого валу при максимальній ефективній потужності позначається пе.

Номінальну частота обертання колінчатого валу обирають, як правило дещо більшою, ніж пе, що забезпечує стійку роботу двигуна в зоні максимального швидкісного режиму. При зростанні частоти обертання понад пном потужність не зростає по причині різкого зменшення ре. динамічні навантаження на основні деталі і їх зношування підвищуються. Тому експлуатація двигуна при частоті обертання вище номінальної недоцільна, а при розносній частоті – недопустима.

Для попередження можливості переходу двигуна на розносний режим і полегшення водіння автомобіля при роботі двигуна на номінальному режимі застосовують обмежувачі максимальної частоти обертання, які при зменшенні навантаження автоматично прикривають дросельні заслінки. При цьому частота обертання може дещо збільшуватись і досягати значення пхх.тах.

Характер зміни питомих ефективних витрат палива показано на рис. 1.

Таким чином, на зовнішній швидкісній характеристиці розрізняють наступні швидкісні режими:

птіп – режим, при якому двигун стійко працює на мінімальних обертах при повністю відкритій дросельній заслінці;

пМе – режим максимального обертового моменту;

пge – режим мінімальних питомих витрат палива;

пном – режим номінальної ефективної потужності;

пе – режим максимальної ефективної потужності;

пхх тах – режим холостого ходу при роботі двигуна з регулятором;

прозн – режим „розносу” (найбільшої частоти обертання, при якій вся індикаторна потужність витрачається на тертя).

Збільшення обертового моменту при зменшенні частоти обертання від пном до пМе визначає стійкість роботи двигуна, яка оцінюється коефіцієнтом пристосовуваності kм –відношенням максимального обертового моменту до обертового моменту при максимальній потужності:

. (1)

Коефіцієнт пристосованості характеризує властивість двигуна долати короткочасне підвищення навантаження. Для карбюраторних двигунів kм=1,25...1,35, для дизелів - kм=1,05...1,15.

У дизелів характеристика обертового моменту (рис.2) проходить більш полого, ніж у карбюраторних двигунів. Тому на дизелях необхідно застосовувати спеціальні коректуючи пристрої, які автоматично збільшують циклову подачу палива при зниженні частоти обертання.

1.2.2. Часткові швидкісні характеристики.

Умови отримання часткових швидкісних характеристик для карбюраторних та дизельних двигунів різняться між собою.

У карбюраторних двигунів часткові характеристики знімають при різних положеннях дросельної заслінки, що впливає на величину коефіцієнту наповнення. По мірі прикриття дросельної заслінки максимум ефективної потужності зміщується в сторону меншої частоти обертання. Максимальна частота обертання холостого ходу також знижується і стає навіть менше номінальної. Цим користуються для недопущення розносу двигуна при різкому зниженні навантаження на двигун.

У дизелях часткові характеристики знімають при різних положеннях рейки паливного насосу. При зменшенні навантаження коефіцієнт наповнення дещо зростає. В результаті цього при зменшенні навантаження розносна частота значно зростає і виникає небезпека розносу двигуна. Для попередження аварії двигуна при різкому зниженні навантаження на дизелях обов’язково застосовують регулятори, які обмежують максимальну частоту обертання.

Характеристика, яка знімається при постійному положенні органа управління регулятором і збільшенні навантаження від холостого ходу до максимального, називається регуляторною (ділянка АВ рис. 4).

2.

Навантажувальною характеристикою називається залежність основних показників двигунів від навантаження при постійній частоті обертання. Навантажувальні характеристики знімають, в основному, для визначення паливної економічності двигуна на різних режимах.

Оскільки автомобільний двигун працює у широкому діапазоні частот обертання колінчатого валу, то знімають не одну, а кілька навантажувальних характеристик при різних частотах обертання колінчатого валу.

Внаслідок суттєвого впливу способу регулювання потужності навантажувальні характеристики карбюраторних і дизельних двигунів доцільно розглядати окремо.

2.1. Навантажувальні характеристики карбюраторних двигунів.

Питомі витрати палива змінюються в залежності від спільного впливу індикаторного та механічного ККД ім. В режимі холостого ходу вся індикаторна робота витрачається на подолання внутрішніх втрат. При переході до часткових навантажень різке збільшення механічного ККД і зростання індикаторного ККД призводить до різкого зменшення питомих витрат палива (рис.5). при навантаженнях, близьких до максимальних, значення індикаторного ККД знижується внаслідок збагачення суміші економайзером, що призводить до збільшення питомих витрат палива.

Аналіз навантажувальної характеристики показує, що більшість режимів часткових навантажень характеризуються підвищеними питомими витратами палива і лише вузький їх діапазон має мінімальні і близькі до них питомі витрати палива. Це являється органічним недоліком карбюраторних двигунів, що спричинює їх погіршену паливну економічність.

Можливими шляхами підвищення паливної економічності можуть бути:

робота на збіднених сумішах;

застосування змінного ступеню стиснення;

застосування впорскування палива.

2.2. Навантажувальні характеристики дизельних двигунів.

Відмінною особливістю дизелів є плавна зміна індикаторного і механічного ККД та коефіцієнту наповнення (рис. 6). Питомі витрати палива близькі до економічних практично на всіх режимах роботи двигуна. Це свідчить про переваги якісного способу регулювання навантаження.

На навантажувальній характеристиці дизеля знаходиться кілька характерних точок:

1 – початок появи диму у відпрацьованих газах – експлуатаційна межа збільшення навантаження; відповідна потужність називається граничною;

2 – відповідає максимально можливій потужності дизеля – верхня межа димоутворення;

3 – поточне значення показників двигуна при подальшій, у порівнянні з точкою 2, збільшенні подачі палива; свідчить про погіршення економічності та зниження потужності;

4 – відповідає мінімальним питомим витратам палива;

5 – у дизелях із все режимними регуляторами при номінальній частоті обертання служить для визначення моменту упору рейки паливного насосу.

Дослідження навантажувальних характеристик дозволяє оцінити паливну економічність двигунів і визначити способи її підвищення, дає вихідні дані для проектування паливної апаратури і служить для контролю регулювань, технічного стану і якості ремонту двигуна в цілому і елементів системи живлення зокрема.

3. При розгляді процесів згорання було встановлено, що якість його протікання залежать від деяких експлуатаційних параметрів. В карбюраторних двигунах такими параметрами являються кут випередження запалювання та склад горючої суміші; в дизелях – кут випередження запалювання і положення рейки в упорі, при якому досягається бездимне згорання. Характеристики, які знімаються в залежності від указаних параметрів, називаються регулювальними. Приклад регулювальної характеристики наведено на рис 7, 8.