Глава 6 характеристики двигателей

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для анализа работы автомобильных и тракторных двигателей используются различные характеристики: скоростные, нагрузочные, регуляторные, регулировочные и специальные. Обычно все характеристики получают экспериментальным путем при испытаниях двигателей.

При проектировании нового двигателя отдельные характеристики (например, скоростная и нагрузочная) могут быть построены расчетным путем. В этом случае ряд параметров определяют по эмпирическим зависимостям, полученным на основании обработки большого числа опытных данных.

Скоростная характеристика показывает изменение мощности, крутящего момента, расходов топлива и других параметров от частоты вращения коленчатого вала.

В зависимости от положения органа, управляющего подачей топлива, различают внешнюю и частичные скоростные характеристики.

Скоростная характеристика, полученная при полном дросселе (бензиновый двигатель) или при положении рейки топливного насоса (дизель), соответствующем номинальной мощности, называется внешней. Внешняя скоростная характеристика позволяет провести анализ и дать оценку мощностных, экономических, динамических и эксплуатационных показателей при работе двигателя с полной нагрузкой.

Любая скоростная характеристика двигателя, полученная при неполном открытии дроссельной заслонки (бензиновый двигатель) или при положении рейки топливного насоса (дизель), соответствующем частичной мощности, называется частичной скоростной характеристикой. Такие характеристики используют для выяснения влияния целого ряда факторов (угла опережения зажигания, состава смеси, минимально устойчивых частот вращения и т. д.) на работу двигателя при частичных нагрузках и дают возможность наметить пути улучшения его мощностных и экономических показателей.

На рис. 6.1 представлена внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя, а на рис. 6.2 — дизеля

6.2. ПОСТРОЕНИЕ ВНЕШНЕЙ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

При построении внешних скоростных характеристик вновь проектируемых двигателей иногда используют результаты теплового расчета, проведенного для нескольких режимов работы двигателя с полной нагрузкой. Однако этот метод расчета скоростных характеристик дает надежные результаты только при наличия достаточно полных экспериментальных данных по целому ряду параметров работы двигателя на частичных скоростных режимах.

С достаточной степенью точности внешнюю скоростную характеристику можно построить по результатам теплового расчета, проведенного для одного режима работы двигателя — режима максимальной мощности, и использования эмпирических зависимостей. Построение кривых скоростной характеристики ведется в интервале:

а) для бензиновых двигателей от n_min = 600 - 1000 мин^-1 до n =(1,05 — 1,20) n_Ne;

б) для дизелей от n_min = 300— 800 мин^-1 до n_Ne, где n_Ne — частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности.

Максимальная частота вращения коленчатого вала ограничивается: условиями качественного протекания рабочего процесса, термическими напряжениями деталей, допустимой величиной инерционных усилий и т. д. Минимальная — определяется условиями устойчивой работы двигателя при полной нагрузке.

Расчетные точки кривой эффективной мощности определяются по следующим эмпирическим зависимостям через каждые 500...1000 мин^-1:

для бензиновых двигателей

; (6.1)

для дизелей с неразделенными камерами сгорания

; (6.2)

для дизелей с предкамерой

; (6.3)

для дизелей с вихревой камерой сгорания

. (6.4)

В формулах (6.1) — (6.4) принято: N_e и n_Ne — номинальная эффективная мощность (кВт) и частота вращения коленчатого (мин^-1) при номинальной мощности; N_ex и n_x — эффективная мощность (кВт) и частота вращения коленчатого вала (мин^-1) в искомой точке скоростной характеристики двигателя.

По рассчитанным точкам в масштабе М_N строят кривую эффективной мощности.

Точки кривой эффективного крутящего момента (Нм) определяют по формуле

(6.5)

Кривая крутящего момента, построенная в масштабе М_М,, выражает также изменение среднего эффективного давления, но в масштабе М_р, (МПа/мм):

(6.6)

Величину среднего эффективного давления р_ех (МПа) для рассчитываемых точек можно определить по кривой М_ех или из выражения

(6.7)

Точки кривой среднего индикаторного давления находят о формуле

р_iх =р_ех + р_Мх, (6.8)

где р_Мх — среднее давление механических потерь (МПа) определяют в зависимости от типа и конструкции двигателя по уравнениям (4.57) — (4.63).

Кривая среднего индикаторного давления, построенная в масштабе М_р выражает также изменение и крутящего момента, но в масштабе М_м (Нм/мм):

(6.9)

Расчетные точки индикаторного крутящего момента можно определять по кривой р_ix ила из выражения

(6.10)

Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ч), в искомой точке скоростной характеристики:

для бензиновых двигателей

(6.11)

для дизелей с неразделенными к.с.

(6.12)

где — удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности, г/(кВт ч).

Часовой расход топлива, кг/ч

(6.13)

Для определения коэффициента наполнения необходимо задаться законом изменения α по частоте вращения. Для бензиновых двигателей с достаточной степенью точности можно принять значения α на всех скоростных режимах, кроме минимального. При n_х = n_min, следует принимать смесь несколько более обогащенную, чем при n_х = n_N т. е. при α _{nmin ,}< α _nN

В дизелях при работе по скоростной характеристике с увеличением частоты вращения значение α несколько увеличивается. Для четырехтактного дизеля с непосредственным впрыском можно принять линейное изменение α, причем α· n_min = (0,7 -0.8)· α _nN

При выбранном законе изменения α_х коэффициент наполнения

(6.14) По скоростной характеристике определяют коэффициент приспособляемости К, представляющий собой отношение максимального крутящего момента М_{e max} к крутящему моменту М_еN при номинальной мощности:

К = М_{e max}/ М_еN (6.15)

Этот коэффициент служит для оценки приспособляемости двигателя к изменению внешней нагрузки и характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки. для бензиновых двигателей К = 1,20...1,35; у дизелей кривая крутящего момента протекает более полого и значения коэффициента приспособляемости находятся в пределах К = 1,05... 1,20.

Кроме изложенного метода построения скоростных характеристик существует ряд других методов. Так, проф. И М. Ленин для построения внешних скоростных характеристик двигателей, имеющих по одному впускному и выпускному клапану на каждый цилиндр рекомендовал пользоваться процентными соотношениями между мощностью, частотой вращения и удельным расходом топлива, полученными в результате построения относительных скоростных характеристик.

Соотношения между параметрами относительной скоростной характеристики карбюраторного двигателя приведены ниже:

Частота вращения коленчатого вала, %....................................... 20 40 60 80 100 120

Эффективная мощность, %............................................................20 50 73 92 100 92

Удельный эффективный расход топлива, %.................................115 100 97 95 100 115

Для четырехтактных дизелей процентные соотношения между параметрами относительной скоростной характеристики следующие:

Частота вращерия коленчатого вала, %........................................20 40 60 80 100

Коэффициент избытка воздуха................................................... 1,40 1,35 1,30 1,25 1,20

Эффективная мощность, %............................................................ 17 41 67 87 100

В приведенных данных за 100% приняты те значения мощности, частоты вращения коленчатого вала и удельного расхода топлива, которые получены на основе теплового расчета.

ЛЕКЦИЯ 21

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

Как видно из ранее приведенных данных, в двигателях внутреннего сгорания представляется возможным превратить в полезную работу лишь 20—45% теплоты от всей подведенной. Остальная часть ее уносится с отработавшими газами, передается в систему охлаждения, в окружающую среду и т. д.

Распределение теплоты, выделенной при сгорании топлива, по видам тепловых потерь называется в н е ш н и м т е п л о в ы м б а л а н с о м.

Величину каждой составляющей теплового баланса определяют в ккал/ч, в кДж/ч или в % по отношению ко всему количеству подведенной теплоты.

Уравнение внешнего теплового баланса в абсолютных единицах можно представить в таком виде:

Q = Q_е + Q_охл + Q_г + Q_н,с.+ Q_ост , (4.92)

где Q - располагаемая теплота сгоревшего топлива; Q_е - теплота, превращенная в эффективную работу; Q_охл - теплота, отведенная в систему охлаждения; Q_г -теплота, унесенная с отработавшими газами; Q_н,с - теплота, соответствующая неполноте сгорания; Q_ост - неучтенные потери (остаточный член).

В уравнении (4.92) отсутствует член, учитывающий затраты теплоты на механические потери Q_м. Это объясняется тем, что тепловая энергия, затраченная на механические потери (трение), превращается вновь в теплоту и отводится с охлаждающей жидкостью и с маслом.

Наибольшая работа приходится на трение в кривошипно – шатунном механизме. Она примерно составляет 75%. Таким образом, большая часть теплоты Q_м ‚ равна работе трения поршня с кольцами о стенки цилиндра и в подшипниках, причем первая из них достигает 55—65%. Эта теплота отводится главным образом охлаждающей средой и учитывается в тепловом балансе величиной Q_охл а оставшаяся часть включается в неучтенные потери Q_ост.

Методика определения теплового баланса заключается в определении составляющих уравнения (4.92).

Количество располагаемой теплоты

Q = G_т·Н_и/3,6

где Н_и — низшая теплотворная способность 1 кг топлива в кДж/кг и G_т- расход топлива в час, кг.

Количество теплоты, превращаемой в эффективную работу двигателя,

Q_е = 1000N_е или Q_е = Q·η_е

Количество теплоты, отводимой с охлаждающей средой,

Q_охл = G_охл с(t_вых – t_вх)=

где Q_охл - расход охладителя, кг/ч; с — теплоемкость охладителя, ккал/кг град;, t_вых, t_вх — температура охлаждающей воды на выходе из двигателя и входе в него или с=0,45...0,53 коэффициент пропорциональности (принимается = 0,5); i – число цилиндров; D – диаметр, см; n – частота вращения к/вала; т – 0,5...0,7 – показатель степени для четырехтактных ДВС (до 1000 мин^-1 т – 1,6, а на всех остальных режимах т – 0,65).

Количество теплоты, уносимой отработавшими газами

Q_г= (G_т + G_в)с_р(t_г – t₀)=

где G_т и G_в — часовой расход топлива и воздуха, кг; с_р теплоемкость отработавших газов, ккал/кг град; t_г и t₀ — температура отработавших газов и наружного воздуха (заряда).

Теплота, не выделившаяся вследствие н е п о л н от ы с г о р а н и я, для двигателей, работающих при α < 1 на жидком топливе,

Q_н.с.=ΔН_иG_m/3,6

Для α > 1 при составлении теплового баланса Q_н.с включается обычно в остаточный член, так как является потерей незначительной.

Тепловой баланс в абсолютных единицах (кДж/ч) представляет интерес для решения некоторых практических задач, когда, например, необходимо знать количество теплоты, отводимой системой охлаждения, для ее расчета или создания утилизационных устройств и др.

Большой интерес для оценки совершенства рабочего процесса представляет тепловой баланс, составленный в относительных единицах,

q = q_е + q_г + q_охл+ q_нс + q_ост = 100%, т. е.

Примерные значения величин, составляющих тепловой баланс, приведены в табл.

Т а б л и ц а 1.17. Внешний тепловой баланс в %

Двигатели	qе	qохл	qг	qнс	qост
Карбюраторные Дизели без надлува Комбинированные: с умеренным наддувом с высоким наддувом	23—30 29—42   35—42 40—48	20—35 20—35   10—25 10—18	30—55 25—40   25—45 20—40	0—30 0—5   0—5 0—5	3—8 2—7   2—7 2—5

В качестве примера на рис. приводится график теплового баланса, полученный при испытании карбюраторного двигателя ЗИЛ-164 по скоростной характеристике при полностью открытой дроссельной заслонке (головка алюминиевая, ε = 6,2).

Дата добавления: 2015-11-26