Заняття 21. Навантажувальні характеристики двигуна внутрішнього згорання

1. 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. Закономірності протікання навантажувальних характеристик доцільно починати розглядати з роботи бензинового двигуна в режимі холостого ходу. В цьому режимі дросельна заслінка карбюратора знаходиться в положенні, близькому до закритого, коефіцієнт наповнення дорівнює 0,2...0,3 і частка залишкових газів в робочому заряді має максимальне значення. Це погіршує умови займання і згоряння суміші і викликає необхідність збагачення суміші до α =0,8...0,9, що здійснюється системою холостого ходу. Вихідною точкою характеристики є точка 1 (рис. 4.58). Питома витрата палива gе, що визначається за формулою (4.94), дорівнює нескінченності, так як N_e= 0. Індикаторна питома витрата палива в режимі холостого ходу, г/(кВт•год),

де Nм - потужність механічних втрат, на які витрачається індикаторна потужність, що виробляється в режимі холостого ходу. Щоб із збільшенням навантаження частота обертання підтримувалась постійною, відкриття дросельної заслінки збільшується, що приводить до росту коефіцієнта наповнення η_v, зниження коефіцієнта залишкових газів γ, поліпшення умов згоряння робочої суміші. Це дає можливість збіднювати суміш, поступово підвищуючи коефіцієнт надміру повітря α, що приводить до підвищення коефіцієнта η_i, характер змінювання якого близький до характеру змінювання коефіцієнта α для використовуваних складів суміші. Індикаторна питома витрата палива g_i відповідно знижується. Питому ефективну витрату палива, г/(кВт•год), можна визначити за формулою

де H_u - нижча теплота згоряння палива, МДж/кг; η_М - механічний ККД.

Із збільшенням навантаження значення м η зростає, так як зменшується відносне значення внутрішніх втрат. Ріст η_М, η_v приводить до зменшення питомої ефективної витрати палива. Витрата палива за одну годину Gпал в зоні малих і середніх навантажень зростає приблизно за лінійним законом.

Однією з основних вимог, що ставляться при розробці двигуна, є висока економічність при роботі на всіх режимах. Але при повному і близьких до нього навантаженнях основною вимогою є отримання від двигуна найбільшої потужності, навіть якщо це пов’язано з деяким погіршенням паливної економічності. Тому практично на всіх бензинових двигунах у міру наближення до повного відкриття дросельних заслінок суміш збагачується для отримання максимальної потужності. Збагачення суміші (вправо від точки 2) забезпечується з допомогою спеціального збагачувального пристрою карбюратора або системи впорскування. На цій ділянці значення α зменшується, що приводить до зменшення η_i і підвищення g_i. Так як механічний ККД на цій ділянці змінюється незначно, g_e, починаючи з точки 2, із зростанням навантаження поступово підвищується. На кривій витрати палива за одну годину момент включення збагачувального пристрою характеризується більш інтенсивним збільшенням витрати палива Gпал. Точка 3 на кривих Gпал і g_e характеризує значення максимальної потужності в даному швидкісному режимі і відповідні їй економічні показники двигуна.

Графічно питома витрата палива за навантажувальною характеристикою в певному масштабі являє собою тангенс кута β нахилу променя, проведеного з початку координат до розглядуваної точки кривої витрати палива за одну годину. Тому точка дотику променя, проведеного з початку координат, до кривої Gпал відповідає найменшій питомій витраті палива і включенню збагачувального пристрою.

Для прикладу на рис. 4.59 показана навантажувальна характеристика двигуна 4Ч7,2/6,7 (МемЗ-245), яка підтверджує наведені вище закономірності.

3.

При визначенні навантажувальних характеристик дизеля заданий швидкісний режим підтримується зміною кількості палива, що подається паливним насосом високого тиску в циліндри. Кількість повітря, що поступає в циліндр дизеля, від навантаження практично не залежить. Хоча при збільшенні його трохи знижується коефіцієнт наповнення внаслідок підвищення температурного режиму двигуна.

Робота дизеля в режимі холостого ходу характеризується високими коефіцієнтом надміру повітря (α = 4...5), η_i і низьким g_i (рис. 4.60). У цьому випадку витрата палива за одну годину Gпал відповідає точці 1. Питома ефективна витрата палива g_e дорівнює нескінченності.

При збільшенні навантаження зростає циклова подача палива, що приводить до зниження α. Але оскільки при малих і середніх навантаженнях значення цього коефіцієнта достатньо високе і значно перевищує межу димлення, i η змінюється незначно.

Питома ефективна витрата палива g_e в зоні низьких і середніх навантажень знижується в основному в результаті підвищення механічного ККД η_М. У зоні навантажень, близьких до повного, зниження коефіцієнта α приводить до зниження η_i і до збільшення g_i. Коли інтенсивність зниження коефіцієнта η_i перевищить зростання η_М, починається збільшення g_е (точка 2). Збільшення е g спостерігається до максимальної потужності двигуна в даному швидкісному режимі (точка 4). Але ще до цього наступає момент (точка 3), коли починається димлення, так як коефіцієнт надміру повітря знизився до α =1,25÷1,3, хоча максимальна потужність досягається при менших значеннях α. Потужність у точці 4 відповідає зовнішній абсолютній характеристиці дизеля, а в точці 3 – характеристиці за початком димлення.

Якщо при визначенні навантажувальної характеристики, досягнувши точки 4, збільшувати циклову подачу палива, то це приведе до подальшого зниження α, η_i і збільшення g_е. Процес згоряння при цьому різко погіршиться, що приведе до зниження потужності двигуна. Ці ділянки навантажувальних характеристик на рис. 4.60 показані штриховими лініями. Витрата палива за одну годину в області низьких і середніх навантажень являє собою похилу криву, близьку до прямої з крутістю підйому, що поступово збільшується. В точці 2, що визначається точкою дотику променя, проведеного через початок координат до кривої Gпал, питома витрата палива досягає мінімального значення, після якого починає збільшуватись. Точку 3, що визначає допустиме навантаження двигуна в відповідному швидкісному режимі, можливо визначити димоміром (при експерименті) або точкою дотику променя, проведеного з початку координат до кривої g_е. Щоб найбільш вірно судити про паливну економічність дизеля в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів, навантажувальні характеристики звичайно знімають серіями (для кількох швидкісних режимів).

4. Регуляторними характеристиками дизелів називають залежності показникі їх роботи від навантаження при роботі двигуна з регулятором.

Регуляторна характеристика відрізняється від навантажувальної тим, що при її визначенні частота обертання двигуна не підтримується постійною, а встановлюється регулятором. Тому характеристики, побудовані в залежності від Мк і Nе, різняться між собою.

Звичайно регуляторні характеристики будують у вигляді залежностей

(рис. 4.61, а) або (рис. 4.61, б).

Характер зміни регуляторних характеристик також зручно починати аналізувати з роботи двигуна в режимі холостого ходу. Частота обертання визначається натягом пружини регулятора. При цьому витрата палива за одну годину Gпал має певне значення, а питома ефективна витрата палива дорівнює нескінченності. При збільшенні зовнішнього навантаження і зменшенні частоти обертання пружина регулятора, долаючи трохи знижене зусилля з боку виконавчого органу, переміщує рейку в бік збільшення циклової подачі палива і відповідно витрати його за одну годину, оскільки частота обертання знижується незначно.

Ефективна питома витрата палива знижується до кінцевого значення внаслідок зменшення відносного значення внутрішніх втрат двигуна. При цьому зростають Мк і Nе. Таке змінення параметрів роботи дизеля спостерігається до моменту досягнення номінального навантаження.

Частота обертання знижується за законом, близьким до лінійного. При подальшому збільшенні навантаження рейка паливного насоса стає на жорсткий або пружний упор і зменшення частоти обертання або не приводить до збільшення циклової подачі палива, або збільшує її незначно.

Двигун працює за безрегуляторною віткою. На безрегуляторній вітці у міру збільшення навантаження крутний момент продовжує рости до максимуму, після чого знижується, а двигун переходить в область нестійкої роботи. Характеристики, побудовані в залежності від Мк і Nе на безрегуляторній ділянці, відрізняються між собою.

Для характеристик як показано на рис. 4.61, а, при ном n крутний момент досягає номінального значення і при подальшому збільшенні навантаження продовжує збільшуватись до свого максимуму.

Тому безрегуляторні ділянки характеристики розташовані справа від режиму, що відповідає номінальному. На безрегуляторній вітці характеристики крутний момент спочатку росте, досягає максимуму, потім зменшується, тому параметри Nе, Gпал і ge змінюються двічі. На цій ділянці робота двигуна характеризується різким зниженням частоти обертання, потужності і витрати палива за одну годину.

Для характеристик як показано на рис. 4.61,б, безрегуляторні ділянки розташовані зліва від номіналу, оскільки потужність дизеля на цій ділянці знижується. При цьому Мк підвищується до значення Мкмакс, а потім знижується. Якщо на безрегуляторній ділянці характеристики e g має менше значення, ніж на регуляторній, то характеристика має петлю.

Регуляторні характеристики більш зручні при аналізі залежності ефективних параметрів роботи двигуна від навантаження за роботи на регуляторних вітках, ніж швидкісні, так як на них регуляторні вітки розташовані на значно більш широких ділянках.