6. Лабораторная работа №4

Скоростная характеристика двигателя

Скоростная характеристика (рис. 20) представляет собой зависимость эффективной мощности, эффективного крутящего момента двигателя, часового и удельного эффективного расходов топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

Рис. 20. Скоростная характери- стика.

У
словия снятия характеристики:

Различают внешнюю скоростную характеристику, снимаемую при полностью открытой дроссельной заслонке, и частичные скоростные характеристики, определяемые при промежуточных, но постоянных положениях дросселя. Обеспечивается нормальное тепловое состояние двигателя; угол опережения зажигания устанавливается оптимальным.

Регулирование частоты вращения коленчатого вала осуществляется изменением нагрузки с помощью тормоза.

Скоростные характеристики снимают в диапазоне от минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала (n_min) до частоты вращения, на 10 % превышающей частоту, на которой достигается максимальная мощность двигателя при данном положении дроссельной заслонки.

Внешняя скоростная характеристика позволяет определить мощностные и экономические показатели двигателя, а также значения частоты вращения вала, соответствующие максимальной мощности, минимальному удельному эффективному расходу топлива и максимальному крутящему моменту двигателя.

Теоретическая часть

Как известно из теории, эффективный крутящий момент двигателя (Н·м) пропорционален среднему эффективному давлению Р_е (МПа). Для четырехтактного двигателя

В свою очередь, среднее эффективное давление является функцией коэффициента наполнения, связанной с ним цикловой подачи топлива, а также индикаторного и механического КПД:

.

Таким образом, для повышения величины крутящего момента необходимо улучшать наполнение цилиндров свежей смесью, уменьшать тепловые и механические потери.

При малых частотах вращения вала величина крутящего момента, как правило, невысока. Объясняется это ухудшением процесса смесеобразования вследствие небольших скоростей воздуха во впускном трубопроводе и малой интенсивности вихрей в цилиндре; большими потерями тепла в стенки вследствие значительного времени соприкосновения горячих газов с более холодными стенками; плохим наполнением цилиндров по причине обратного выброса рабочей смеси в период опаздывания закрытия впускного клапана.

Для повышения величины крутящего момента на малых частотах вращения целесообразно применять газодинамический наддув, то есть использовать волновые процессы во впускном трубопроводе для уменьшения обратного выброса. Этого можно достичь увеличением длины впускного трубопровода, отдельного для каждого цилиндра. Для дополнительного уменьшения обратного выброса желательно использовать переменные фазы газораспределения, позволяющие уменьшать угол опаздывания закрытия впускного клапана на указанных скоростных режимах.

На средних частотах вращения коленчатого вала крутящий момент увеличивается. Это объясняется прекращением обратного выброса смеси из-за увеличения ее скорости на впуске, а также повышением скорости сгорания вследствие лучшего смесеобразования и соответственным уменьшением относительной теплоотдачи.

На больших частотах вращения крутящий момент уменьшается, т.к. здесь, в частности, падает коэффициент наполнения вследствие повышения аэродинамического сопротивления впускного тракта, которое пропорционально квадрату скорости движения заряда в нем (потери по длине, дросселирование, сопротивление в клапанной щели, в воздушном фильтре). Кроме того, здесь возрастают потери тепла с отработавшими газами, так как уменьшается время, отводимое на процесс сгорания, и, растягиваясь по углу поворота коленчатого вала, этот процесс смещается на такт расширения – ближе к процессу выпуска. Здесь, наконец, увеличиваются и механические потери двигателя, которые определяются средней скоростью поршня.

Для улучшения наполнения на высоких частотах вращения необходимо уменьшать аэродинамическое сопротивление на впуске. С этой целью уменьшают длину впускного тракта и увеличивают количество клапанов на цилиндр, высоту их подъема и угол опаздывания их закрытия.

Для смягчения последствий смещения процесса сгорания на такт расширения, необходимо увеличивать угол опережения зажигания.

Среднее давление механических потерь возрастает с увеличением частоты вращения по закону, близкому к линейному, что приводит к монотонному снижению механического КПД. Для уменьшения механических потерь уменьшают высоту поршня и количество поршневых колец, конструируют двигатель короткоходным, улучшают качество смазки.

Эффективная мощность двигателя определяется величиной произведения крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала . На графике изменения N_e можно выделить три характерные зоны. В первой зоне, от n_min до n_М, благодаря одновременному росту М_е и наблюдается наиболее интенсивное возрастание N_e .

Во второй зоне, от n_М до , вследствие постепенного уменьшения М_е наблюдается замедление, а затем и прекращение роста N_e. В третьей зоне, при n> _, уменьшение крутящего момента настолько велико, что не может быть компенсировано повышением частоты вращения, и мощность двигателя падает.

Часовой расход топлива (кг/ч) определяется цикловой подачей топлива G_mцикл (мг/цикл) и частотой вращения коленчатого вала n (мин^-1):

,

поэтому он растет почти пропорционально частоте вращения коленчатого вала n, обусловливая небольшую выпуклость в графике G_m=f(n) за счет специфического закона изменения G_mцикл по частоте вращения, близкого к характеру изменения коэффициента наполнения.

Часовой расход топлива достигает максимального значения при частоте вращения коленчатого вала приблизительно . При n>n_G часовой расход начинает падать, так как здесь увеличение количества циклов в единицу времени уже не может компенсировать ухудшение наполнения за цикл.

Рис. 21. Зависимость КПД от частоты вращения.

М
инимальный удельный эффективный расход топлива g_e наблюдается при средних частотах вращения коленчатого вала и определяется оптимальным соотношением индикаторного и механического КПД (рис. 21).

Возрастание g_e на малых частотах вращения связано с падением индикаторного КПД вследствие ухудшения процессов смесеобразования и сгорания и соответственного увеличения тепловых потерь. Повышение g_e при больших частотах вращения объясняется ростом насосных и механических потерь, а также увеличением тепловых потерь с отработавшими газами.

Коэффициент приспособляемости

Рис. 22. Внешняя скоростная характеристика крутящего момента

Р ассмотрим использование мощности или, точнее, крутящего момента двигателя в различных точках внешней скоростной характеристики. График крутящего момента abc (в относительных единицах) показан на рис. 22.

Предположим, что внешняя нагрузка (момент сопротивления), не зависящая от частоты вращения вала двигателя, определяется горизонтальной прямой mpqr. Пусть в точке p крутящий момент двигателя и момент сопротивления равны, так что коленчатый вал вращается с частотой n₁, составляющей примерно 30% от n_N.

Если по каким-либо причинам частота вращения вала уменьшится, то момент внешней нагрузки окажется больше момента двигателя, и последний остановится. Если частота вращения будет возрастать, то крутящий момент двигателя окажется больше момента сопротивления, и частота вращения может достигнуть значения n₂. Вследствие этого использование крутящего момента, определяемого участком ab внешней скоростной характеристики, практически невозможно из-за неустойчивой работы двигателя.

В том случае, если частота вращения уменьшится относительно n₂, то крутящий момент двигателя окажется больше момента сопротивления, вследствие чего частота вращения вернется к исходному значению n₂, то есть она будет автоматически стабилизироваться.

Отсюда следует, что на внешней скоростной характеристике можно выделить зону устойчивых частот вращения вала и зону неустойчивых частот вращения.

Для удобства эксплуатации автомобилей и тракторов целесообразно зону устойчивых частот вращения иметь возможно более широкой.

Автомобильные и тракторные двигатели по внешней скоростной характеристике работают в диапазоне устойчивых частот вращения коленчатого вала: от значения n=n_M, соответствующего наибольшему крутящему моменту M_{e max}, до значения n=n_N, при котором достигается наибольшая эффективная мощность. При более высоких частотах вращения мощность двигателя падает, а износ его деталей и удельные расходы топлива быстро возрастают. Поэтому при таких частотах вращения эксплуатируют только легковые автомобили и то сравнительно редко. Двигатели грузовых автомобилей и тракторов имеют ограничители и регуляторы и таких скоростных режимов не допускают.

В условиях эксплуатации для лучшей приспособляемости автомобильного и тракторного двигателей к внешней нагрузке желательно, чтобы максимальный крутящий момент двигателя был бы как можно больше значения этого параметра при частоте вращения, при которой достигается номинальная (наибольшая) эффективная мощность.

Коэффициент приспособляемости характеризуется отношением

где M_{e N} и P_eN – крутящий момент и среднее эффективное давление на номинальном режиме работы двигателя.

Экспериментальная часть

Снятие внешней скоростной характеристики происходит следующим образом. Прогрев двигатель, увеличивают подачу горючей смеси и одновременно нагружают его с помощью тормозного устройства так, чтобы на режиме полной подачи (полное открытие дроссельной заслонки) двигатель развивал минимальное устойчивое число оборотов (n_min). После необходимого корректирования теплового состояния двигателя и выдержки его на стабильном режиме работы не менее минуты производят замеры нужных параметров. Далее нагрузку постепенно снимают, добиваясь возрастания скорости вращения вала двигателя на 250 или 500 ; после выхода на установившийся режим работы делают новые замеры и т.д., пока частота вращения вала не достигнет указанного ранее максимума. Для выявления более достоверного протекания внешней скоростной характеристики замеры повторяют, последовательно нагружая двигатель и уменьшая частоту вращения до минимальной.

Минимальную частоту вращения вала при полной нагрузке двигателя, т.е. в случае работы его по внешней скоростной характеристике, определяют путем торможения двигателя до наступления заметного колебания частоты вращения, после чего нагрузку уменьшают до получения устойчивой работы двигателя в течение 10 мин.

При проведении опыта измеряют:

1. показания динамометра тормозного устройства Р_вес, Н;

2. время расхода топлива τ, с;

3. температуру отработавших газов t_вып, °С;

4. температуру охлаждающей воды t_в, °С;

5. температуру масла t_м, °С;

6. частоту вращения коленчатого вала n, мин^-1.

Контрольные вопросы

1. По какой переменной величине строится скоростная характеристика двигателя?

2. Поясните порядок выполнения работы.

3. От чего зависит коэффициент наполнения двигателя?

4. Почему возрастает индикаторный КПД по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала?

5. Как определяется эффективная мощность двигателя?

6. Какая скоростная характеристика называется внешней?

7. Как определяется часовой расход топлива в двигателе?

Литература

1. «Теория автомобильных и тракторных двигателей». Ленин И.М. Учебник для вузов. М. «Машиностроение», 1969. 368с.

2. «Расчет автомобильных и тракторных двигателей». Учебное пособие для вузов. Колчин В.П. Демидов В.П. 3-е издание, переработанное и дополненное. 2003. 496с.

3. «Испытания двигателей внутреннего сгорания». Райков И.Я. учебник для вузов. «Высшая школа». 1975. 320с.

5. «Двигатели внутреннего сгорания». В 3-х книгах. Книга 1 «Теория рабочих процессов». Луканин В.П. Морозов К.А. Хачиян А.С. и др. под редакцией Луканина В.Н. «Высшая школа». 2005. 368с.

Учебное издание

Апелинский Дмитрий Викторович

Руновский Константин Сергеевич

Макаров Александр Романович