1. Характеристики энергетических установок.
2. Виды характеристик поршневых ДВС.
2.1. Регулировочные характеристики
2.2. Нагрузочные характеристики
2.3. Скоростные характеристики
3. Способы повышения мощности двигателя.
1. Характеристики энергетических установок.
Автомобильные двигатели работают в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов.
Режим работы двигателя – это его состояние, характеризующееся совокупностью показателей.
Основными показателями, определяющими рабочий режим, являются частота вращения коленчатого вала, нагрузка на двигатель и температура. Если значения этих показателей в процессе работы двигателя остаются неизменными, режим называется установившимся. В случае изменения хотя бы одного из них режим считается неустановившимся.
Характеристикой двигателя называется совокупность зависимостей основных показателей его работы от эксплуатационных, конструктивных и других факторов.
Характеристики двигателя определяют его эксплуатационные качества, уровень технического совершенства, правильность регулировок, а также его назначение.
Характеристики двигателя определяются, как правило, на установившихся режимах, несмотря на то, что в реальных условиях двигатели работают при их непрерывном изменении, так как учесть одновременное влияние всех факторов на работу двигателя затруднительно. Поэтому характеристики получают на специально оборудованных испытательных стендах, где возможно исследование различных показателей в зависимости от изменения одного фактора.
Основными показателями работы двигателя являются эффективная мощность Nе, крутящий момент Мк, часовой расход топлива Gт и удельный эффективный расход топлива ge.
В зависимости от параметра, принимаемого в качестве независимой переменной, различают три основные группы характеристик: скоростные, нагрузочные и регулировочные.
Наиболее значимыми являются нагрузочные и скоростные характеристики, позволяющие оценить экономические и мощностные качества двигателей на различных режимах работы.
Так как основные показатели работы двигателей зависят от одних и тех же параметров цикла, а именно от ηυ, α, ηi, ηм, то характеристики являются наиболее наглядным средством анализа рабочего процесса двигателя.
Общая методика исследования рабочих характеристик двигателя предусматривает следующие направления работы:
• определение цели получения характеристики;
• определение условий получения характеристики;
• изменение основных параметров цикла в зависимости от аргумента характеристики;
• изменение показателей работы двигателя:
• практическое использование полученной характеристики.
Показатели работы двигателя изменяются в соответствии с изменением основных параметров цикла:
(7.1)
(7.2)
(7.3)
(7.4)
(7.5)
Очевидно, что Vh, Ни, l0 и ρ величины постоянные. Следовательно, в зависимости от того, как в процессе работы двигателя будут меняться величины ηi, ηυ, ηм, α и п, так и будут изменяться показатели его работы.
2. Виды характеристик поршневых ДВС.
2.1. Регулировочные характеристики представляют собой зависимости основных показателей двигателя от значения одного или нескольких из регулировочных параметров при постоянной частоте вращения коленчатого вала.
Регулировочные характеристики получают для ряда скоростных и нагрузочных режимов с целью оценить качество рабочего процесса и определить предельные мощностные, экономические и экологические показатели двигателя на исследуемых режимах, выбрать и оценить регулировочные параметры систем двигателя, определить характер их изменения на различных режимах.
Регулировочная характеристика двигателя с искровым зажиганием по составу смеси представляет собой зависимость основных показателей двигателя от состава смеси. Она определяется при постоянстве скоростного режима работы двигателя и ряда других факторов, а также при оптимальных для мощности Nе значениях угла опережения зажигания (φо.з. = φо.з. опт) для каждого состава смеси. Возможны три способа ее получения:
• при постоянном положении дроссельной заслонки (φдр = соnst), что обеспечивает примерное постоянство расхода воздуха (Gв = соnst); способ достаточно прост и на режимах полных нагрузок пригоден только он;
• при постоянной мощности двигателя (Ne = соnst); способ является более правильным, так как для движения автомобиля в конкретных условиях необходима постоянная мощность; используют для режимов холостого хода;
• при постоянном расходе топлива (GТ – соnst); способ применяют при испытании двигателя с системами впрыскивания топлива.
На средних нагрузках могут использоваться все три способа.
При снятии характеристик переменные значения коэффициента избытка воздуха α получают изменением расхода топлива. В карбюраторных двигателях для этого изменяют давление в поплавковой камере карбюратора или проходное сечение главного топливного жиклера (конусной иглой), а в двигателях с впрыскиванием бензина и электронным управлением — длительность управляющего импульса форсунки.
Характеристика, снятая при постоянном положении дроссельной заслонки (первый способ), показывает (рис. 7.1, а), что максимум мощности (Ne max) и минимум удельного расхода топлива
Рис. 7.1. Регулировочные характеристики двигателя с искровым зажиганием по составу смеси: а — при постоянном положении дроссельной заслонки (ηV = соnst; φдр = 100%, n = 2000 мин-1); б — при постоянной мощности (Ne = 15,7 кВт, п = 2000 мин-1) (ge min) достигаются при различных составах смеси: мощностном (αм < 1 — богатая смесь) и экономическом (αэк > 1 — бедная смесь).
Мощность двигателя Nе пропорциональна отношению ηVηi/α. На полной нагрузке и ηV = соnst отношение ηi/α достигает максимума при некотором обогащении смеси (α= αм), поэтому все другие энергетические показатели (pi, pe, MK, Ne) также максимальны. Это объясняется тем, что скорость сгорания, выделение теплоты и превращение ее в индикаторную работу из-за неоднородного перемешивания смеси достигают максимальных значений только при несколько обогащенной смеси.
При снижении α ниже αм Ne уменьшается из-за резкого ухудшения процесса сгорания при недостатке кислорода и снижения ηM .
Индикаторный КПД ηi достигает максимального значения при обеднении смеси до определенного αηi max, который соответствует оптимальному сочетанию полноты и скорости сгорания, а также теплоемкости отработавших газов.
При дальнейшем обеднении смеси ухудшаются условия воспламенения и уменьшается скорость сгорания, снижается ηi и увеличивается ge. Так как при этом уменьшается ηM , тo αэк , соответствующий ge min, несколько меньше αηi max.
При большом обеднении смеси работа двигателя становится неустойчивой, вплоть до пропусков сгорания в отдельных циклах и цилиндрах.
Следовательно, зона рациональных регулировок должна находится в пределах между αм и αэк. При полной нагрузке состав смеси устанавливают беднее αм, что способствует повышению экономичности до 10% при небольшом снижении мощности (на 1…2%). На частичных нагрузках состав смеси делают несколько богаче αэк, что обеспечивает надежную работу двигателя и допустимое ухудшение экономичности при обеднении смеси в эксплуатации, понижении температуры воздуха, технологических отклонениях и т.п.
Уменьшение нагрузки и частоты вращения вызывает сужение зоны реглирования и смешение ее (уменьшение α) в область более богатых смесей. При снижении частоты вращения это обусловлено ухудшением смесеобразования во впускном трубопроводе и снижением турбулизации заряда в цилиндре. При снижении нагрузки прикрытием дроссельной заслонки ухудшаются условия воспламенения и сгорания из-за снижения Т и р в цилиндре, а также увеличения разбавления зарда остаточными газами.
У современных бензиновых двигателей αэк изменяется от 1,1…1,3 при полной нагрузке до 0,9…1,0 при прикрытой дроссельной заслонке.
При выборе регуировачных параметров системы питания также учитывают норсы на выброс токсичных веществ. Их изменение по данной характеристике представлено на рис.6.2.
На рис,7.1, б представлена регулировачная характеристика по составу смеси при постоянной мощности.
Регулировачная характеристика по углу опережения зажигания представляет собой зависимость основных показателей двигателя от угла опережения зажигания φо.з. при постоянной частоте вращения коленчатого вала и постоянном положении дроссельной заслонки (φдр=const), что предопределяет постоянство наполнения двигателя и состава смеси.
Максимум Nе и минимум gе для рассматриваемого режима работы двигател достигаются при одном и том же значении угла опережения зажигания, который нзыается оптимальным (φо.з.опт) (рис,7.2, а) При постоянстве часового расхода топлива Gт это следует из зависимости gе= (Gт/Nе)· 103.
Угол опережения зажигания определяет момент подвода теплоты, выделяющейся при сгорании, относительно ВМТ. Слишком ранний и слишком поздний подвод теплоты не обеспечивает ее полное использование.
При раннем зажигании (φо.з. >φо.з.опт) теплота начинает активно выделяться до ВМТ. Поэтому повышаются рz и Тz цикла (рис,7.2,б), что приводит к росту утечек рабочего тела через кольца, повышению потери теплоты в стенки и, следовательно, к уменьшению индикаторной работы, увеличивается склонность двигателя к детонации, возрастает концентрация NOх. Температура отработавших газов Тr при этом снижается.
При позднем зажигании (φо.з. < φо.з.опт) значительная часть теплоты выделяется после ВМТ. Это приводит к росту температуры рабочего тела в проуессе расширения и к повышению потерь теплоты с отработавшими газами.
Угол опережения зажигания существенно влияет на токсичность, мощность и экономичность двигателя. Угол φо.з.опт зависит от режима работы двигателя.
При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя возрастает длительность первой фазы сгорания, выраженной в градусах ПКВ. Поэтому для сохранения оптимального положения второй фазы сгорания относительно ВМТ угол опережения зажигания следует увеличивать.
Уменьшение нагрзки прикрытием дроссельной заслонки ухудшает условия воспламенения смеси в связи со снижением давления в цилиндре в конце сжатия, повышением доли отработавших газов в рабочей смеси, уменьшением турбулизации заряда и снижением энергии искрового разяда. Вследствии этого также возрастает длительность начальной фазы сгорания, что требует увеличения угла опережения зажигания.
Угол опережения зажигания иногда специально делают меньше φо.з.опт для снижения N0х или для подавления детонации.
Рис.7.2. Регулировачная характеристика двигателя с искровым зажиганием по углу опережения зажигания (а) и индикаторные диаграммы (б) при раннем, оптимальном и позднем зажигании
Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыскивания топлива является зависимостью основных показателей дизеля от угла опережения впрыскивания φо.вп при постоянной частоте вращения коленчатого вала и постоянной цикловой подаче топлива, что предопределяет постоянство наполнения и состава смеси.
Характер изменения основных параметров по углу опережения впрыскивания дизеля подобен их изменению в характеристике по углу опережения зажигания. Для снижения тепловых и механических нагрузок, как правило, φо.вп < φо.вп.опт.
2.2. Нагрузочной характеристикой называется зависимость основных показателей двигателя от параметра, характеризующего его нагрузку (Ne, Мк, ре) при постоянной частоте вращения.
Нагрузочная характеристика позволяет описать работу двигателя при движении автомобиля с постоянной скоростью на одной передаче и переменном дорожном сопротивлении.
Основными показателями двигателя по нагрузочной характеристике являются Gт и ge. Кроме того, определяемыми показателями могут быть: коэффициент наполнения, коэффициент избытка воздуха, угол опережения зажигания или угол опережения впрыскивания, температура отработавших газов, концентрация токсичных компонентов в отработавших газах, а для дизелей — дополнительно дымность.
Левая крайняя точка характеристики соответствует режиму холостого хода для заданной частоты вращения.
Правая крайняя точка характеристики соответствует максимальной нагрузке (Ne max), которую двигатель может преодолеть при данной частоте вращения (двигатели с искровым зажиганием), или ее значению при положении регулирующего органа на упоре (дизели). Она соответствует точке внешней скоростной характеристики для заданной частоты вращения двигателя.
Нагрузочная характеристика может быть построена и по результатам снятия регулировочных характеристик по составу смеси. Она называется характеристикой оптимального регулирования. При ее сравнении с нагрузочной характеристикой, полученной экспериментально, можно оценить качество регулировок систем подачи топлива и зажигания.
На кривых нагрузочной характеристики обычно фиксируют следующие характерные точки: минимальный удельный расход топлива ge min и соответствующие ему значения нагрузки и α; часовой расход топлива Gт и α на холостом ходу; Ne max.
При снятии нагрузочной характеристики двигателя с искровым зажиганием мощность увеличивают повышением количества горючей смеси, поступающей в цилиндры, т.е. открытием дроссельной заслонки.
С учетом наивыгоднейшей характеристики состав смеси на всех режимах нагрузочной характеристики теоретически должен быть экономическим, кроме режима полной нагрузки, когда смесь должна обогащаться до мощностного состава (рис. 7.3, а).
На режимах холостого хода и малых нагрузок для обеспечения хорошей экономичности необходимо обогатить смесь до α = 0,90… 0,95.
По мере открытия дроссельной заслонки и перехода от режима холостого хода к режимам малых и средних нагрузок возрастают часовые расходы топлива GТ и воздуха GB; увеличивается наполнение цилиндров ηV; повышается доля свежего заряда в рабочей смеси; растет давление в цилиндре; улучшаются условия смесеобразования, воспламенения и сгорания горючей смеси; снижается длительность первой фазы сгорания. На основании этого необходимо повышать а и уменьшать угол опережения зажигания.
На данных режимах двигатель работает на экономическом составе смеси (α = 1,1… 1,2). Это вызывает рост ηi, так как он определяется составом смеси α, ηV и значением угла опережения зажигания.
Механические потери рм изменяются по характеристике мало, а индикаторное давление рі линейно возрастает. Поэтому, исходя из определения ηм (ηм = pe/pi=(pi-pм)/pi=1- pм/pi), начиная от нуля (на режиме холостого хода pe = 0, pi = pм ), будет возрастать, так как большая доля индикаторной работы передается потребителю.
Удельный эффективный расход топлива ge обратно пропорционален ηе = ηiηм. На холостом ходу он равен бесконечности. Это указывает на то, что вся теплота расходуется не на полезную работу, а на преодоление механических потерь двигателя. Затем он снижается в силу совместного роста ηi и ηм и достигает минимального значения при (0,8…0,9) Ne max.
Рис. 7.3. Нагрузочные характеристики двигателя с искровым зажиганием (а), дизеля (б) и дизеля с наддувом (в).
При полном открытии дроссельной заслонки создается мощностной состав смеси (α = 0,85…0,90), уменьшается ηi из-за химической неполноты сгорания при богатой смеси; увеличивается ge из-за уменьшения ηi, несмотря на максимальное значение ηм.
Концентрация токсичных компонентов отработавших газов по нагрузочной характеристике определяется совместным влиянием α, φо.з. и ηV.
При снятии нагрузочной характеристики дизеля нагрузку изменяют варьированием цикловой подачи топлива, т.е. перемещением рейки топливного насоса.
В дизеле без наддува (рис. 7.3, б) при уменьшении нагрузки:
• увеличивается коэффициент избытка воздуха α, снижаются часовой расход топлива Gт, количество теплоты, выделяющейся при сгорании, температура отработавших газов Тr, дымность отработавших газов Dx;
• часовой расход воздуха Gв, несколько увеличивается из-за снижения степени его подогрева;
• увеличивается ηi из-за роста α; однако на очень малых нагрузках ηi может уменьшаться из-за ухудшения качества процессов впрыскивания и распыливания топлива;
• удельный эффективный расход топлива ge уменьшается из-за повышения α и ηi, достигая минимума при 70…80% нагрузки, а на малых нагрузках — увеличивается в связи с уменьшением ηM.
В дизеле с турбонаддувом (рис. 7.3, в) при уменьшении нагрузки:
• снижается расход воздуха Gв в связи с падением температуры отработавших газов перед турбиной Тт, уменьшением располагаемой работы газа, что приводит к снижению частоты вращения турбины и компрессора;
• коэффициент избытка воздуха а увеличивается более плавно из-за снижения Gв;
• уменьшается коэффициент наполнения ηV из-за снижения рк и Тк ;
• более интенсивно растет ge на малых нагрузках, что связано с увеличением затрат на работу газообмена. Исходя из этого целесообразно регулирование турбонаддува на малых нагрузках.
Предел форсирования дизеля по нагрузке определяется дымностью отработавших газов или тепловой напряженностью деталей. Так как дизель с турбонаддувом на средних и высоких частотах вращения имеет большие значения а, то предел его форсирования определяется тепловой напряженностью деталей в цилиндре и колесах турбины.
2.3. Скоростная характеристика представляет собой зависимость основных показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при неизменном положении органа управления двигателем.
Внешняя скоростная характеристика определяется при полном открытии дроссельной заслонки или при положении органа управления подачей топлива, которое обеспечивает получение номинальной мощности дизеля.
Частичные скоростные характеристики снимают при промежуточном положении органа управления двигателем.
Внешняя скоростная характеристика соответствует работе двигателя автомобиля, движущегося в условиях переменного дорожного сопротивления, но при постоянном и предельном положении органа управления, например при разгоне автомобиля.
Внешняя скоростная характеристика является основной паспортной характеристикой двигателя. По методике, установленной государственным стандартом, в зависимости от укомплектованности двигателя устройствами и оборудованием, определяют:
• мощность нетто при укомплектовании двигателя серийным оборудованием по стандарту (вентилятором, генератором, воздухоочистителем, глушителем и др.), а регулировки соответствуют техническим условиям; отключают лишь вспомогательные системы автомобиля (компрессор тормозной системы, насос; гидроусилителя рулевого управления, компрессор кондиционера и т.д.);
• мощность брутто — допускается отключать или снимать некоторые устройства, обслуживающие двигатель, а также использовать оптимальные (а не штатные) регулировки отдельных его систем.
Мощность брутто больше мощности нетто.
Для сопоставления результатов испытаний, полученных при разных атмосферных условиях, мощностные показатели двигателей Ne, Мк и ре приводят к стандартным атмосферным условиям: атмосферное давление В0= 100 кПа (750 мм рт. ст.), температура воздуха T0 = 298 К, парциальное давление сухого воздуха рв = 99 кПа, температура топлива (для дизелей) Tт0 = 298 К.
Показатели Ne0, Мк0 и ре0 вычисляют умножением полученных экспериментально значений на поправочный коэффициент.
Внешняя скоростная характеристика двигателя с искровым зажиганием (рис. 7.4) снимается при полностью открытой дрооссельной заслонке. Система подачи топлива на большинстве скоростных режимов обеспечивает состав смеси, близкий к мощностному, а система зажигания обеспечивает φо.з., близкий к оптимальному. На средних и малых частотах вращения φо.з. ограничен появлением детонации.
Рис. 7.4. Внешняя скоростная характеристика двигателя с искровым зажиганием легкового автомобиля.
При повышении частоты вращения п растет число циклов в единицу времени, что приводит к росту часовых расходов топлива GТ и воздуха Gв, повышению турбулизации рабочего заряда и скорости движения фронта пламени по камере сгорания, уменьшению относительных потерь теплоты в стенки цилиндров, улучшению качества смесеобразования, сокращению длительности второй фазы сгорания по времени (длительность в градусах ПКВ практически сохраняется), увеличению температуры отработавших газов, что обусловлено уменьшением теплоотдачи в стенки цилиндра.
Повышение качества рабочего процесса двигателя при увеличении п приводит к росту ηi.
Из-за того, что длительность второй фазы сгорания в градусах ПКВ при повышении п практически не изменяется, для обеспечения выделения теплоты в области ВМТ следует увеличивать угол опережения зажигания.
Коэффициент наполнения ηV с ростом частоты вращения вначале повышается, достигает максимума, а затем снижается. На низких частотах вращения фазы газораспределения не соответствуют скоростному режиму и возможен обратный выброс свежего заряда, а на высоких частотах влияние гидравлических потерь больше явления дозарядки.
Максимальное значение ηV для двигателей легковых автомобилей формируют на высоких частотах вращения в целях получения высокой номинальной мощности, обеспечивая высокую скорость и хорошую динамику разгона автомобиля.
Для двигателей грузовых автомобилей максимум ηV формируют на средних частотах, чтобы повысить Mк mах для обеспечения хороших тяговых свойств.
Среднее давление механических потерь рм с повышением п возрастает по закону, близкому к линейному, а так как темп изменения рi менее интенсивен, то ηм при этом монотонно снижается.
Характер изменения ре (Мк) определяется совместным влиянием параметров, входящих в зависимость ре = (Hu/l0)(ηi/α) ηV ρк ηм, где ρк — плотность заряда на впуске. Его уменьшение на малых частотах вращения обусловлено снижением ηi и ηV, а на высоких — уменьшением ηV и ηм.
Для двигателей с искровым зажиганием пMк mах = (0,55…0,7)nном, а коэффициент приспособляемости kM = Mк mах / Mк ном = 1,10… 1,30.
Изменение мощности Nе по частоте вращения обусловлено совместным влиянием на нее Мк и п на основании зависимости Nе = Мк п/9550. Рост мощности, начиная от низких частот вращения, связан с линейным повышением п и возрастанием Мк . На высоких частотах вращения темп роста Nе замедляется из-за уменьшения Мк и достигает максимума при пNе max (обычно пNе max > пном). После пNе max мощность резко снижается из-за падения ηV и ηм и в дальнейшем при полностью открытой дроссельной заслонке на холостом ходу становится равной нулю, достигая максимальной частоты вращения яхтах, которая на 30…50% превосходит номинальную.
Для двигателей легковых автомобилей кратковременный переход на такой режим возможен. У двигателей грузовых автомобилей, имеющих большие движущиеся массы, рост сил инерции может снизить надежность двигателя, что требует применения ограничителя частоты вращения.
Удельный эффективный расход топлива определяется произведением ηiηм. Увеличение ge на низких п обусловлено уменьшением ηi, а на высоких — снижением ηм.
Концентрация токсичных веществ в отработавших газах определяется совместным влиянием α, φо.з., условий смесеобразования и сгорания.
Частичные скоростные характеристики снимают при постоянных промежуточных положениях дроссельной заслонки. Увеличение п при прикрытой дроссельной заслонке приводит к резкому снижению ηV из-за роста гидравлических потерь и вызывает соответствующее снижение рi и, следовательно, ηм. Чем больше степень прикрытия дроссельной заслонки, тем более резко снижаются ре, Мк, Nе, а их максимумы сдвигаются в область меньших частот вращения.
Внешняя скоростная характеристика дизеля снимается в диапазоне частот вращения от пmin до пном. Далее, от пном до пx max, располагается регуляторная ветвь характеристики (рис. 7.5). При работе дизеля по внешней скоростной характеристике рейка топливного насоса находится на упоре, а по регуляторной ветви рейкой уменьшают цикловую подачу топлива.
При затяжке пружины регулятора меньше максимальной определяют частичные скоростные характеристики.
Особенности изменения Мк по внешней скоростной характеристике определяются изменением комплекса параметров (ηi/α) ηVρкηм.
При формировании внешней скоростной характеристики дизеля изменение α является одним из основных управляющих фактoров. Воздействуя на цикловую подачу топлива Vц, можно обеспечить любой характер изменения α.
Рис. 7.5. Внешняя скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью
В значительной мере α определяет изменение ηi и температуры отработавших газов с изменением частоты вращения. Если α остается неизменным или незначительно возрастает, то при увеличении частоты вращения ηi возрастает, а температура отработавших газов повышается.
При повышении п механический КПД дизеля ηм уменьшается из-за роста механических потерь рм.
В дизеле без наддува максимум ηV достигается на средних частотах вращения. При небольших частотах вращения ηV снижается из-за несоответствия фаз газораспределения скоростному режиму работы дизеля (фазы большие, а скорость заряда — невысокая, поэтому возможен обратный выброс свежего заряда во впускной трубопровод). При больших частотах вращения растут гидравлические потери.
В дизеле с нерегулируемым газотурбинным наддувом (рис. 7.6) с ростом п повышается расход газов через турбину, что вызывает возрастание частоты вращения вала турбокомпрессора и, как следствие, — повышение рк, Тк, ρк и ηV.
В дизелях применяют системы наддува, настроенные на промежуточную (не номинальную) частоту вращения, а также регулируемого наддува.
Это обеспечивает улучшение экономичности на малых частотах. На высоких частотах вращения увеличение работы выпуска ухудшает экономичность. Поэтому у дизелей, работающих в широком диапазоне частот вращения, применяют перепуск газов, минуя турбину. Также используют и другие способы регулирования турбин, например, с помощью изменения минимального эффективного сечения и угла входа газа на лопатки колеса.
Рис. 7.6. Внешняя скоростная характеристика дизеля с наддувом
Применение управляемого комбинированного наддува, при котором и приводной компрессор, и турбокомпрессор подключены последовательно, представляет собой эффективный способ формирования внешней скоростной характеристики дизеля: на малых частотах вращения повышает плотность воздуха приводной компрессор, а на больших — турбокомпрессор. При достижении определенной частоты вращения и малой нагрузке двигателя приводной компрессор автоматически отключается. На малых нагрузках и высоких частотах вращения автоматически открываются клапаны перепуска газов мимо турбины. Эта система обеспечивает высокий запас крутящего момента и высокую экономичность во всем диапазоне режимов работы дизеля.
Крутящий момент Мк при повышении частоты вращения от минимально устойчивой до пм растет из-за увеличения ηV и ηi. После достижения максимума при дальнейшем увеличении п крутящий момент снижается из-за уменьшения ηV и ηм.
Для повышения запаса крутящего момента дизелей без наддува (обычно μн не превышает 12% из-за ограничений по дымности) и дизелей с нерегулируемым наддувом осуществляют прямую коррекцию топливоподачи (обеспечивая постоянную цикловую подачу от пном до пМк mах), а при работе дизеля с полной нагрузкой на малых частотах вращения — обратную коррекцию (уменьшая цикловую подачу) для снижения дымности отработавших газов. При регулируемом наддуве можно повысить запас крутящего момента до 35…40 %.
Если для дизеля без наддува ρк практически не зависит от п, то при газотурбинном наддуве она является одним из управляющих параметров.
Характеристики агрегатов наддува существенно влияют на параметры дизеля. При применении приводного компрессора повышение его КПД уменьшает затраты мощности на привод и, как следствие, обеспечивает рост ηм и уменьшение ge. При газотурбинном наддуве повышение КПД турбокомпрессора также снижает потери на газообмен, повышает ηм и уменьшает ge.
При повышении частоты вращения удельный эффективный расход топлива ge уменьшается за счет повышения ηiηм и достигает минимума при некоторой средней частоте вращения, когда произведение ηi максимально. При дальнейшем повышении частоты вращения ge увеличивается из-за снижения ηV и ηм.
При увеличении частоты вращения дымность отработавших газов снижается, а содержание оксидов азота повышается.
Регуляторная ветвь скоростной характеристики (при п>nном) обеспечивает автоматический переход от внешней характеристики к холостому ходу с помощью регулятора путем уменьшения цикловой подачи топлива. Так как диапазон изменения п по регуляторной ветви невелик, то изменение параметров может быть проанализировано на основании информации о нагрузочной характеристике.
Если при графическом изображении показателей дизеля в качестве аргумента взять частоту вращения п, то получим скоростную характеристику с регуляторной ветвью, а если эффективную мощность или крутящий момент, — регуляторную характеристику.
Регуляторная характеристика дизеля при анализе совместной работы дизеля с потребителем его мощности в ряде случаев удобнее скоростных и нагрузочных характеристик. Она нагляднее и точнее отражает изменение показателей дизеля в зависимости от внешней нагрузки в эксплуатации, так как при работе регулятора одновременно изменяются нагрузка и частота вращения.
3. Способы повышения мощности двигателя
Чтобы увеличить среднее эффективное давление, необходимо в цилиндр за цикл подать большее количество топлива, а для полного его сгорания – большее количество воздуха. Это реализуется путем увеличения количества свежего заряда, нагнетаемого в цилиндр давлением. Данный способ называется наддувом двигателя. При этом среднее эффективное давление увеличивается практически пропорционально увеличению плотности свежего заряда.
На рис. 7.7 показан наддув с механическим приводом от коленчатого вала, а на рис. 7.8 – турбонаддув, где для привода центребежного компрессора 1 используется энергия отработавших (ОГ), которая реализуется в турбине 2, конструктивно объедининой с компрессором в единый агрегат, который называется тур компрессором.
По величине создаваемого давления на входе в цилиндр различают наддув низкий (до 0,15 МПа), средний (0,15-0,2 МПа) и высокий (более 0,2 МПа). При этом эффективная мощность двигателя увеличивается на 20-30, 40-50 и более 50 % соответственно.
Рис. 7.7. Наддув с механическим приводом Рис. 7.8. Турбонаддув:
1 – компрессор; 2 — турбина
Применение наддува в двигателях с искровым зажиганием осложняется возникновением детонационного сгорания и более высокой тепловой напряженностью лопаток турбины.
Анализируя уравнение 7.1., можно определить и другие способы увеличения мощности двигателя:
• увеличение рабочего объема Vh двигателя является наиболее
простым способом повышения мощности. При этом происходит практически пропорциональное изменение массы заряда поступающего в цилиндры, что соответственно влияет на увеличению эффективной мощности.
Рабочий объем может быть увеличен как путем увеличена габаритных размеров цилиндров, так и повышением их числа несмотря на то, что увеличение габаритных размеров имеет свои преимущества, этот способ имеет такой существенный недостаток, как пропорциональный рост массы шатунно-поршневой группы, что увеличивает силы инерции деталей и снижает максимальную частоту вращения коленчатого вала;
• увеличение плотности воздуха р можно получить с помощью
наддува;
• рост коэффициента наполнения может быть обеспечен путем создания более совершенных конструкций впускных трубопроводов и увеличения числа впускных клапанов, а также переводом бензиновых двигателей с карбюраторной системы питания к системе впрыска;
• конструктивное совершенствование двигателей для увеличения ηм. Так, используя новые материалы, можно снизить механические потери на трение, а совершенствование газораспределительного и других механизмов обеспечивает снижение насосных потерь и потерь на привод вспомогательных узлов.
• повышение индикаторного КПД ηі которое зависит от
личных факторов, рассматривалось в подразделе 4.2.3;
• согласно формуле (7.1) увеличение частоты вращения коленчатого вала п должно привести к пропорциональному росту Nе. Однако увеличение быстроходности вызывает рост газодинамического сопротивления при впуске свежего заряда, в результате чего понижается коэффициент наполнения. Кроме этого возрастают механические потери, тепловая и механичекая напряженность деталей. Поэтому повышение быстроходности двигателя должно сопровождаться соответствующий конструктивными решениями, снижающими отрицательные последствия увеличения значений п;
• использование обедненных горючих смесей приводит к плохой их воспламеняемости от электрического разряда, а применение электрофакельного зажигания существенно усложняет конструкцию двигателя, в частности газораспределительного механизма.
Эффективным способом увеличения мощности двигателя является улучшение смесеобразования, особенно в дизелях. Перспективным в этом направлении остаются создание топливной аппаратуры обеспечивающей высокое качество распыления, и интенсификаю турбулизации заряда в цилиндрах двигателя и камере сгорания, дробнее способы смесеобразования описаны в главе 8.
Контрольные вопросы
1. Как и почему изменяются основные параметры по нагрузочной характеристике дизеля?
2. Как и почему изменяются основные параметры по нагрузочной характеристике двигателя с искровым зажиганием?
3. Как и почему изменяются основные параметры двигателя по скоростной характеристике?
4. Как и почему изменяются основные параметры двигателя по регулировочной характеристике от состава смеси?
5. Как и почему изменяются основные параметры двигателя по регулировочной характеристике от угла опережения впрыскивания дизеля?
6. Как и почему изменяются основные параметры двигателя по регулировочной характеристике от угла опережения зажигания?
7. Как снимается нагрузочная характеристика?
8. Как снимается регулировочная характеристика двигателя с искровым зажиганием по составу смеси?
9. Как снимается регулировочная характеристика по углу опережения зажигания?
10. Как снимается скоростная характеристика?
11. Для чего необходима внешняя скоростная характеристика?
12. Сформулируйте назначение регуляторной характеристики.
13. Перечислите способы повышения мощности двигателя.
14. Напишите в развернутом виде формулу эффективной мощности.