Из всего множества скоростных характеристик наибольшеепрактическое значение имеет внешняя скоростная характеристика (ВСХ). ВСХ определяется при полном открытии дроссельной
121-124
18.5. Внешняя и частичные характеристики двигателей с искровым зажиганием.
Скоростной характеристикой называется зависимость основных показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при неизменном положении органа управления двигателем.
Из всего множества скоростных характеристик наибольшеепрактическое значение имеет внешняя скоростная характеристика (ВСХ). ВСХ определяется при полном открытии дроссельной
заслонки двигателя с искровым зажиганием или при положении
органа управления подачей топлива, которое обеспечивает получение номинальной мощности дизеля.
Скоростные характеристики, снятые при промежуточном
положении органа управления двигателем, называются частичными.
Режимы ВСХ имитируют работу двигателя на автомобиле
при движении последнего в условиях переменного дорожного
сопротивления, но при постоянном и предельном положении
органа управления двигателем. Чаще всего режимы ВСХ имеют
место при разгоне автомобиля, осуществляемом полным открытием
ДЗ (двигатели с искровым зажиганием) или предельным
натяжением главной пружины регулятора (дизели).
Изменение скоростного режима двигателя при снятии скоростных
характеристик обеспечивается изменением внешней нагрузки
с помощью тормозного устройства. Если двигатель не оборудован
ограничителем или регулятором частоты вращения или
они отключены, то ВСХ снимается в диапазоне от до 1,1h„om.
ВСХ представляет собой верхнюю границу поля эксплуатационных
режимов работы двигателя. На режимах ВСХ двигатель
испытывает максимальные тепловые и механические нагрузки
и выделяет большое количество токсичных веществ с ОГ.
ВСХ является основной паспортной характеристикой двигателя,
на основании которой оценивают его главные технические показатели.
В зависимости от укомплектованности двигателя устройствами
и оборудованием согласно стандарту определяют мощность
нетто и мощность брутто. В первом случае двигатель должен
быть укомплектован серийным оборудованием (вентилятор,
генератор, воздухоочиститель, глушитель и др.), перечень которого
определяется стандартом, а регулировки должны соответствовать
техническим условиям. Отключаются лишь вспомогательные
системы, потребляющие мощность, но не обслуживающие
двигатель (компрессор тормозной системы, насос гидроусилителя
рулевого управления, компрессор кондиционера и т. д.).
При определении мощности брутто допускается отключать
или снимать некоторые устройства, обслуживающие двигатель,
а также использовать оптимальные (а не штатные) регулировки
отдельных его систем. Поэтому мощность брутто больше мощности нетто.
Условия окружающей среды (давление, температура, влажность)
сложным образом влияют на работу двигателя и его
показатели. Чтобы сопоставить результаты испытаний, полученные
при разных атмосферных условиях, мощностные показатели двигателя по ВСХ приводят к стандартным атмосферным условиям: атмосферное давление #„=100 кПа (750 мм рт. ст.), температура воздуха Т0=298 К, парциальное давление сухого воздуха
р, = 99 кПа, температура топлива (для дизелей) Т„ —298 К.
Приведенные значения Ne0, М ^, рл получаются умножением
полученных при испытаниях значений N„ Мт и ре на поправочный
коэффициент, зависящий от давления и температуры окружающей
среды, от влажности воздуха и типа двигателя (двигатель
с искровым зажиганием или дизель).
ВСХ снимается при штатной регулировке системы топливоподачи, которая на большинстве скоростных режимов обеспечивает состав смеси, близкий к мощностному (рис. 7.11 и 7.12).
Штатные регулировки системы зажигания обеспечивают
(Ра.з ~ (Ро.з.опт или на средних и малых частотах вращения <р0,, ограниченный появлением детонации.
С увеличением и происходит уменьшение относительных потерь теплоты в стенки цилиндров, улучшается качество смесеобразования и сокращается длительность второй фазы сгорания
в единицах времени (но практически сохраняется ее длительность в градусах ГТКВ). Это приводит к увеличению »}, с ростом частоты вращения (рис. 7.12) и дальнейшей его стабилизации; последнему
способствует некоторое возрастание фазы догорания, увеличивающее тепловые потери в стенки. Аналогичным образом изменяется отношение rjj/a (рис. 7.12). Таким образом, качество рабочего процесса двигателя с искровым зажиганием не лимитирует возможность его форсирования по скоростному режиму.
Характер изменения r\v в зависимости от частоты вращения
неоднозначен для различных двигателей, хотя имеют место некоторые
общие закономерности (см. п. 3.1.7).
Для двигателей легковых автомобилей максимальные значения
у, в зоне высоких частот вращения (см. рис. 7.11) обеспечивают
высокую номинальную мощность двигателя, что в конечном
счете определяет высокую скорость и хорошую динамику
разгона автомобиля. Для двигателей грузовых автомобилей
максимальное значение г/, в зоне низких и средних частот
вращения (рис. 7.12) обеспечивает хорошие тяговые свойства
автомобиля.
Совместное влияние а и определяет соответствующий
характер изменения pt(n) (рис. 7.12): его уменьшение при малых
частотах вращения связано с уменьшением rjj и tj„ а при высоких
— только с уменьшением t]v.
Среднее давление механических потерь возрастает с увеличением
п по закону, близкому к линейному (рис. 7.12), что в сочетании
с характером изменения р-,(п) приводит к монотонному
снижению rjM с ростом п.
Снижение ре при малых п определяется теми же факторами,
что и снижение pt (т. е. ij, и jj„), а при п>пмтл вызывается
снижением rjt и цм. Как правило, для карбюраторных двигателей
гаоттм=(0,55.,.0,70)ин, а коэффициент приспособляемости АТМ =
лежит в пределах 1,10...1,30.
Увеличение Nc с увеличением п продолжается до тех пор,
пока рост частоты циклов, пропорциональный п, преобладает
над снижением ре (см. рис. 7.11). Когда эти два фактора компенсируют
друг друга, то достигается максимальная мощность двигателя
iVemM. Обычно Иуешм>Ия-
При п > Пметях происходит резкое снижение N„ что связано
с соответствующим возрастанием рм и снижением г]у. При />,=рм
двигатель выходит на режим холостого хода при полностью
открытой ДЗ, достигая максимальной частоты вращения (пр),
которая на 30...50% превосходит номинальную. При этом существенного
изменения состава смеси и, следовательно, процесса не
происходит. Для двигателей легковых автомобилей кратковременный
выход на этот режим опасности не представляет.
Для двигателей грузовых автомобилей, имеющих сравнительно
большие возвратно-поступательно движущиеся массы и,
следовательно, высокие значения сил инерции, нагружающих детали
двигателя, максимальная частота вращения может оказаться
опасной с точки зрения надежности. Поэтому такие двигатели
снабжаются ограничителями частоты вращения (см. п. 5.1.1),
уменьшающими подачу топливовоздушной смеси при п>пк.
На графики ВСХ (см. рис. 7.11) наносят также приведенные к стандартным условиям значения крутящего момента и мощности, а также кривые часового расхода топлива.
Изменение удельного расхода топлива по ВСХ определяется
произведением Увеличение gB при низких значениях п связано
с уменьшением rjh а при высоких — с уменьшением rjM. При
и=Пр^е= оо-
Температура ОГ по ВСХ увеличивается с увеличением п, что связано с уменьшением теплоотдачи в стенки цилиндра при сгорании и расширении вследствие уменьшения длительности
цикла и повышения температуры некоторых деталей двигателя, а также из-за увеличения
фазы догорания топлива. Содержание токсичных веществ в ОГ по ВСХ определяется
совместным влиянием а, ф0 3 и условий смесеобразования и сгорания (см. п. 6.1.3).
Частичные скоростные характеристики (рис. 7.13)
снимают при постоянных промежуточных положениях ДЗ. Прикрытие ДЗ приводит к более резкому снижению г)у с увеличением п, что вызывает соответствующее
снижение р(. Последнее является причиной значительного снижения т]м, прямо влияющего
на величину ре. Чем сильнее прикрыта ДЗ, тем круче зависимости ре(п), М х(п), Ne(n). При этом их максимальные значения сдвигаются в область меньших частот вращения. При незначительном
прикрытии ДЗ, когда снижение т\у невелико, возможно улучшение экономичности
Рис. 7.13. Внешняя и частичные скоро- двигателя (уменьшение gemin)
стные характеристики карбюраторного при работе по частичной
двигат^ / ^ 8 i$:0/ скоростной характеристике
-'^ = _50%, .7. ‘ Л**" « ч ' по сравнению с работой по ВСХ. Это связано с переходом работы системы питания на приготовление обедненных составов смеси.
При дальнейшем прикрытии ДЗ происходит увеличение
£emm вследствие снижения г)ы, а при очень сильных прикрытиях
ДЗ — и вследствие уменьшения__
18.6. Скоростные и регуляторные характеристики дизеля. Понятие о коэффициенте приспосабливаемости и запасе крутящего момента. Влияние регулировок и технического двигателя на его скоростную характеристику.
Вид скоростной характеристики дизеля зависит от типа используемого регулятора. При максимальной затяжке пружины всережимного регулятора (см. п. 5.4.2) определяют внешнюю
скоростную характеристику с регуляторной ветвью (рис. 7.14, а).
При этом собственно внешней скоростной характеристикой называют участок от минимальной частоты вращения до номинальной Ии. На участке пж...пХтш, имеем регуляторную ветвь характеристики.
При работе дизеля по скоростной характеристике рейка топливного насоса находится на упоре.
Характеристику определяют при изменении внешней нагрузки от 0 при и*шах до нагрузки, соответствующей режиму максимального крутящего момента. При графическом изображении
показателей двигателя в зависимости от п получим скоростную характеристику с регуляторной ветвью (рис. 7.14, а). Если показатели двигателя представить в зависимости от эффективной мощности или крутящего момента, то получим регуляторную характеристику (рис. 7.15).
При затяжке пружины регулятора меньше максимальной определяют частичные скоростные характеристики. Их также можно построить в зависимости от частоты вращения (рис. 5.38,б). На такой характеристике фигурирует лишь часть внешней скоростной характеристики.
• Внеш няя с к о р о стн ая характери сти ка ди зеля. Цикловая подача воздуха равна Vhr\vpx. В дизеле без наддува рх = р0 и изменение цикловой подачи воздуха в зависимости от частоты
вращения целиком определяется характером изменения коэффициента наполнения (см. рис. 7.14, а). В дизеле с нерегулируемым газотурбинным наддувом с ростом частоты вращения увеличиваются расход газов через турбину и степень понижения давления в турбине, что влечет за
собой повышение частоты вращения вала ТК, отсюда — повышение рх, Тх и рж. Увеличение рх и Тх ведет к повышению отношения p jp x и уменьшению подогрева заряда, поэтому коэффициент
наполнения возрастает. Если в дизеле без наддува максимум г/, имеет место, как правило, при некоторой средней (между минимальной и номинальной) частоте вращения, то в дизеле с наддувом максимум коэффициента наполнения смещается в сторону__более высокой частоты
вращения и нередко имеет место при номинальной частоте вращения (см. рис. 7.14, б). Поэтому цикловой расход воздуха в дизеле с нерегулируемым газотурбинным наддувом увеличивается с ростом частоты вращения в результате повышения t}v и рх. Применение систем наддува, настроенных на промежуточную (не номинальную) частоту вращения, и регулируемого наддува
может существенно влиять на характер изменения массового наполнения цилиндров в функции
п, в частности обеспечить существенное увеличение массового наполнения при снижении частоты
вращения.
В случае малоразмерных ТК регулирование турбины поворотом лопаток соплового апцарата, как правило, сложности, высокой стоимости и недост атноеч ниосйп онлаьдзеужетнсояс твив имдеуханизма.
Настройка ТК на промежуточную частоту вращения означает, в сущности, выбор турбины с меньшим минимальным эффективным сечением. Это обеспечивает увеличение ят и яж и повышение рж во всем диапазоне частот вращения. Однако при этом может чрезмерно возрасти работа выпуска при высоких частотах.
Настройка на пониженную частоту вращения при заданной зависимости MI = f(n) обеспечивает улучшение экономичности на малых частотах, так как здесь преобладает положительное влияние
увеличения а и индикаторного КПД. При высоких частотах вращения преобладает отрицательное влияние увеличения работы выпуска и экономичность ухудшается. Для дизелей, работающих
в широком диапазоне частот вращения, в связи с этим может оказаться необходимым применение перепуска газов минуя турбину. Решение о перепуске принимается, если снижение
коэффициента избытка воздуха и, как следствие, индикаторного__
КПД на режимах перепуска (больших частот вращения) происходит в меньшей степени, чем рост механического КПД из-за снижения работы выпуска. Перепуск может оказаться необходимым
также вследствие чрезмерного повышения частоты вращения вала ТК при высоких частотах вращения дизеля.
Имеются и другие приемлемые для малоразмерных ТК способы регулирования турбин, например с помощью специально спрофилированной перемещаемой во входном патрубке детали, обеспечивающей изменение минимального эффективного сечения
и угла входа газа на лопатки колеса турбины. Наконец, радикальным способом формирования внешней скоростной характеристики дизеля является применение управляемого комбинированного
наддува, при котором компрессор (ТК) и приводной компрессор
подключены последовательно (рис. 7.16), причем основную функцию
сжатия воздуха при малых частотах вращения выполняет
приводной компрессор, а при больших — турбокомпрессор.
Приводной компрессор при достижении определенной частоты
вращения и при определенной, достаточно малой нагрузке двигателя
автоматически отключается. При малых нагрузках и наиболее
высоких частотах вращения автоматически открываются также
клапаны перепуска газов минуя турбины.
Для формирования внешней скоростной характеристики дизелей с наддувом важное значение имеют характеристики агрегатов наддува. В случае приводного компрессора повышение его КПД обеспечивает уменьшение затрат мощности на привод, а следовательно, увеличение механического КПД двигателя и снижение удельного эффективного расхода топлива. При газотурбинном наддуве повышение КПД ТК имеет следствием уменьшение потерь на газообмен, т.е. также повышение г\м двигателя и снижение ge. Определенные возможности воздействия на характер изменения параметров дизеля в зависимости от частоты
вращения дает оптимизация совмещения характеристик дизеля
и агрегатов наддува. Таким образом, можно избежать значительного
снижения эффективного КПД турбины при уменьшении
п дизеля, происходящего вследствие более резкого уменьшения
располагаемой работы выпускных газов по сравнению с уменьшением
потерь на трение в ТК, а также обеспечить максимум
КПД компрессора на режиме, наиболее часто встречающемся
в эксплуатации. Настройка системы наддува двигателя должна
производиться с учетом типа трансмиссии и условий эксплуатации
транспортного средства.
Для дизелей без наддува и с нерегулируемым наддувом
помимо прямой коррекции скоростной характеристики топливоподачи
вынуждены прибегать к обратной коррекции. Этим достигается
снижение дымности ОГ при работе дизеля с полной
нагрузкой в зоне малых частот вращения.
Характер зависимости a= f(n) в большой мере определяем
изменение rji и температуры ОГ с частотой вращения. Как правило,
rjt при увеличении частоты вращения возрастает, а температура
отработавших газов tT повышается, если коэффициент избытка
воздуха остается при этом неизменным или незначительно возрастает.
При заметном увеличении а, начиная с определенной
частоты вращения, tT понижается с ростом п (см. рис. 7.14, б).
Чтобы избежать уменьшения ??, при снижении частоты вращения
(по сравнению с величиной при номинальной частоте вращения),
необходимо обеспечить заметное увеличение а. Это возможно
осуществить соответствующим выбором сочетания скоростной
характеристики топливоподачи и характеристик агрегатов,
обеспечивающих наддув. Как показано выше, существенное
увеличение а при снижении п затруднительно, так как необходимо
одновременно достигнуть определенного запаса крутящего момента.
В дизеле без наддува р ,= р 0 = const и, следовательно, характер
изменения Мх и ре от частоты вращения определяется выражением
( r h / a ) t ir TiM. На рис. 4.5, а было показано, что r\iftt сни329
жается при уменьшении п, если одновременно а незначительно
растет. Аналогичное по характеру, но более слабое изменение г},/а
имеет место при а = const.
Несмотря на это, М , при снижении частоты вращения от п„
до л* (см. рис. 7.14, а) растет из-за преобладающего влияния
увеличения tfv и особенно 7}м. При дальнейшем снижении п крутящий
момент уменьшается из-за преобладающего влияния уменьшения
r\ijа и rjy. Увеличения запаса крутящего момента можно в
рассматриваемом случае достигнуть коррекцией скоростной характеристики
топливоподачн. При этом а будет уменьшаться по
мере снижения п, tf, ухудшится в большей степени, чем показано
на рис. 4.5, а, но будет обеспечено увеличение th/oc и Мх. Следовательно,
получение необходимого запаса крутящего момента сопряжено
со снижением rft. Запас крутящего момента дизелей с
ненастроенными и нерегулируемыми системами газотурбинного
наддува может быть меньше, чем у дизелей без наддува, из-за
уменьшения рх при снижении частоты п. Если путем соответствующей
организации воздухоснабжения сохранять при снижении
п достаточно высокое значение то увеличением цикловой подачи
топлива можно достигнуть необходимого прироста крутящего момента.
Для дизелей без наддува и особенно с нерегулируемой и ненастроенной
системой наддува Мх сравнительно мало изменяется
в зависимости от частоты вращения.
При снижении частоты вращения г\и как правило, уменьшается,
а г}м увеличивается*. Удельный эффективный расход топлива
достигает обычно минимума при некоторой средней частоте
вращения, когда обеспечивается максимум произведения адм.
Если на дизеле нет автомата угла опережения впрыскивания,
а оптимальное значение последнего выбирают при частоте вращения,
близкой к номинальной, то в зоне малых частот (р0.ва оказывается
чрезмерно большим, что влечет за собой повышенные
значения pz, X, (А р/А ф )^, температуры деталей, содержания в
ОГ оксидов азота и пр. Если <р0.„„ при всех частотах вращения
близок к оптимуму, то, как правило, максимальное давление
сгорания растет при увеличении п, причем особенно резко на
дизеле с нерегулируемым наддувом. Характер изменения
(Ар/А(р)т„=Яп) зависит от индивидуальных особенностей двигателя.
Дымность ОГ, как правило, снижается, а содержание оксидов
азота растет при увеличении частоты вращения.
Д., Мх, рс и расходы топлива по внешней скоростной харак-