Исследование скоростных характеристик ДВС. Методические указания к выполнению лабораторных работ

Федеральное агентство по образованию Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Исследование скоростных характеристик ДВС Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Двигатели внутреннего сгорания» и «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок и транспортно-технологического оборудования (автомобильные двигатели)» для студентов всех форм обучения направления подготовки дипломированного специалиста 653300 - Эксплуатация наземного транспорта и технологического оборудования (автомобильный транспорт).

Составитель

Гергенов С.М.

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Двигатели внутреннего сгорания» и «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок и транспортно-технологического оборудования» предназначены для углубления и закрепления знаний, полученных на лекциях, а также привития студентам необходимых навыков в практическом определении основных показателей и скоростных характеристик автомобильных двигателей. Дается качественный и количественный анализ влияния различных факторов на изменение показателей работы, методика снятия скоростных характеристик двигателей, вопросы для самопроверки. Методические указания рассчитаны для студентов всех форм обучения направления подготовки дипломированного специалиста 653300 - Эксплуатация наземного транспорта и технологического оборудования (автомобильный транспорт). Ключевые слова: Скоростные характеристики двигателя, частота вращения коленчатого вала двигателя, эффективная мощность, эффективный крутящий момент, эффективный удельный расход топлива, часовой расход топлива, коэффициент наполнения, среднее индикаторное давление,коэффициент избытка воздуха.

Составитель: к.т.н., и.о. доц. Гергенов С.М.

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ, 2005 2

Лабораторная работа 1 Исследование внешней скоростной характеристики карбюраторного двигателя Цель работы 1. Установить закономерность изменения параметров двигателя от частоты вращения коленчатого вала. 2. Определить частоты вращения коленчатого вала, соответствующие максимальной мощности, максимальному крутящему моменту и минимальному удельному расходу топлива. Необходимые сведения Для оценки мощностных показателей работы двигателя, определяющих тяговые и динамические качества автомобиля, снимаются скоростные характеристики. Скоростной характеристикой карбюраторного двигателя называется зависимость мощности Ne, крутящего момента Me, часового Gт и удельного ge расходов топлива, а также других показателей работы двигателя от частоты вращения коленчатого вала n при постоянном угле открытия дроссельной заслонки карбюратора. Различают скоростную характеристику при полностью открытой дроссельной заслонке, которая называется внешней скоростной характеристикой, и частичные скоростные характеристики, определяемые при промежуточных, но постоянных положениях дросселя. Характер изменения мощностных показателей работы двигателя по скоростной характеристике рассмотрим на примере внешней скоростной характеристики. Для четырехтактного двигателя эффективный крутящий момент описывается выражением, Н⋅м: p ⋅ i ⋅ Vh Me = e (1) 0,1256 3

где pe – среднее эффективное давление; i – число цилиндров; Vh – рабочий объем одного цилиндра. а эффективная мощность, кВт: M ⋅n (2) Ne = e 9550 где n – частота вращения коленчатого вала. Таким образом, из выражения (1), при прочих равных условиях, следует, что эффективный крутящий момент двигателя прямо пропорционален среднему эффективному давлению M e ∼ pe , а эффективная мощность прямо пропорциональна произведению среднего эффективного давления на частоту вращения коленчатого вала N e ∼ pe ⋅ n . В свою очередь величина среднего эффективного давления зависит от разности среднего индикаторного давления и давления механических потерь: pe = pi − p м (3) Рассмотрим отдельно факторы, определяющие изменение величин pi и pм в зависимости от скоростного режима работы двигателя. Среднее индикаторное давление определяется следующим выражением: H з pi = A ⋅ и ⋅ i ⋅ з v ⋅ ρ в (4) l0 α где A - постоянный для данного двигателя коэффициент, учитывающий тактность и рабочий объем двигателя. Поскольку при снятии скоростной характеристики остаHи ≈ Const и ются практически постоянными величины l0 ρ в ≈ Const , то изменение величины pi будет зависеть лишь от з изменения величин i и ηv.

α

На рис. 1 показано изменение величин

зi

α

,

ηv и pi по 4

этой частоты вращения коленчатого вала, коэффициент наполнения снижается, т. к. уменьшается дозарядка цилиндра и далее возможен обратный выброс заряда из цилиндра через клапан во впускной трубопровод. При повышении скоростного режима, от nз v max , наполнение цилиндров уменьшается из-за

Рис. 1. Внешняя скоростная характеристика

внешней скоростной характеристике карбюраторного двигаз теля. Величина i , характеризующая эффективность протека-

α

ния рабочего процесса в цилиндре, увеличивается с ростом скоростного режима, причем с увеличением частоты вращения з коленчатого вала двигателя рост i постепенно замедляется.

α

Причинами повышения

зi

α

являются улучшение процесса

смесеобразования и уменьшение относительных потерь тепла в стенки цилиндра за время рабочего хода. Коэффициент наполнения ηv изменяется с ростом частоты вращения более сложным образом. Наполнение цилиндров зависит в основном от гидравлического сопротивления системы газообмена, подогрева заряда при впуске, а также от колебательных процессов, происходящих во впускной и выпускной системах. Поэтому на величину ηv в значительной мере влияет выбор фаз открытия и закрытия клапанов. Фазы газораспределения выбираются в зависимости от типа и назначения двигателя так, чтобы при определенном скоростном режиме работы двигателя, соответствующем nз v max , достигалось наилучшее наполнение цилиндров. Ниже 5

увеличения гидравлических потерь в системе впуска. Гидравлические потери, как известно, возрастают пропорционально квадрату скорости движения смеси в трубопроводе. В результате суммарного воздействия обеих рассматриз ваемых величин ( i и ηv) при увеличении скоростного режима

α

среднее индикаторное давление сначала возрастает, достигая максимального значения при определенной частоте вращения, а затем уменьшается. Как правило, частота вращения, при которой достигается максимальное значение pi, несколько выше частоты вращения соответствующей максимуму коэффициента наполнения (см. рис. 1). Величина среднего давления механических потерь pм при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя возрастает по закону, близкому к линейному. При некоторой частоте вращения кривые pм и pi пересекаются и эффективная мощность будет равна нулю (см. рис. 2). Это так называемая

Рис. 2. Изменение показателей двигателя по оборотам 6

разносная частота вращения nраз, при которой двигатель будет работать на режиме холостого хода, так как вся индикаторная мощность затрачивается на преодоление механических потерь. При полном открытии дроссельной заслонки, из-за ухудшения качества газообмена и смесеобразования, двигатель не может работать устойчиво ниже некоторой частоты вращения nmin, при которой он развивает вполне определенную эффективную мощность. С увеличением частоты вращения от nmin величина pe, а следовательно, и крутящий момент двигателя, возрастают и достигают максимальных значений при определенной частоте вращения nM e . При дальнейшем увеличении частоты вращения величина pe и крутящий момент Me начинают уменьшаться, однако эффективная мощность, пропорциональная произведению pe ⋅ n , продолжает возрастать и достигает своего максимального значения при более высокой частоте вращения nN e .

nM e

Для транспортных = (0,5 ÷ 0,65) ⋅ nN e .

двигателей

значение

При увеличении скорости вращения вала выше nN e эффективная мощность двигателя будет быстро падать, главным образом, из-за уменьшения коэффициента наполнения и увеличения механических потерь. При частоте вращения nраз эффективная мощность двигателя станет равна нулю (режим холостого хода). Практически двигатели при таких скоростных режимах не работают. Рассмотрим характер изменения часового и удельного расходов топлива по внешней скоростной характеристике, для чего обратимся к выражению, связывающему часовой расход топлива с параметрами рабочего процесса двигателя: Gт = B ⋅ ηv ⋅ n (5) где B - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности двигателя, физико-химические свойства и состав 7

бензовоздушной смеси. Как видно из формулы (5), при постоянном составе смеси величина часового расхода топлива в первую очередь определяется частотой вращения двигателя и коэффциентом наполнения. При увеличении скоростного режима двигателя часовой расход топлива возрастает, однако по мере уменьшения коэффициента наполнения, расход топлива увеличивается все в меньшей степени (см. рис. 3). Минимальная величина удельного расхода топлива по внешней скоростной характеристике обычно наблюдается в зоне средних скоростей вращения. Увеличение удельного эффективного расхода топлива с уменьшением частоты вращения объясняется, в основном, возрастанием тепловых потерь, в первую очередь, обусловленных ухудшением процесса смесеобразования. С увеличением частоты вращения удельный расход топлива возрастает из-за увеличения механических потерь и соответствующего снижения Ne. Поскольку эффективный удельный расход топлива определяется по формуле, г/кВт⋅ч: G g e = т ⋅ 103 (6) Ne то на скоростных режимах двигателя, при котором среднее эффективное давление, а следовательно, и эффективная мощность, равны нулю (nраз), величина ge стремится к бесконечности. Примерный вид кривых изменения часового и удельного расходов топлива представлен на рис. 3. Мощностные показатели двигателя существенно зависят от атмосферных условий, при которых проводятся испытания, а именно, от: • барометрического давления; • температуры; • влажности воздуха. Поэтому при испытании карбюраторных двигателей, работающих при полностью открытом дросселе (по внешней 8

скоростной характеристике): эффективную мощность, крутя-

• N emax - величину максимальной мощности двигателя и соответствующую ей частоту вращения коленчатого вала двигателя nN e ; • nmin - значение минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя; • ηv max - максимальную величину коэффициента наполне-

Рис. 3. Изменение расхода топлива

щий момент, среднее эффективное давление и удельный эффективный расход топлива приводят к стандартным атмосферным условиям. Методика приведения подробно описана в методических указаниях [1], (см. список рекомендуемой литературы). Частичные скоростные характеристики двигателя определяются при некоторых промежуточных положениях дросселя; постоянных для каждой характеристики. Внешняя скоростная характеристика является основной транспортной характеристикой двигателя. На основании этой характеристики заводом-изготовителем указываются основные технические показатели двигателя, такие как: • Nном - номинальная мощность, гарантируемая заводомизготовителем при номинальной частоте вращения nном; • M emax - максимальный крутящий момент двигателя и соответствующая ему частота вращения nM e ; • g emin - минимальный удельный расход топлива по внешней скоростной характеристике и соответствующая ему частота вращения ng emin . При анализе внешней характеристики также оценивают: 9

ния и характер его изменения в зависимости от скоростного режима; • η м - механический к. п. д. двигателя и другие показатели. Важным оценочным параметром является и коэффициент запаса крутящего момента: M emax − M emin (7) K= M eном где M eном - значение крутящего момента при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Методика снятия характеристики При определении скоростной характеристики двигатель должен быть укомплектован всеми агрегатами необходимыми для его работы в условиях эксплуатации: генератором, воздухоочистителем и прочими агрегатами. Испытания должны проводиться с соблюдением регулировок предприятия-изготовителя, указанных в техническом паспорте. Скоростная характеристика снимается при постоянном положении угла открытия дросселя. Перед проведении испытаний двигатель прогревают на малой нагрузке, затем устанавливают дроссельную заслонку карбюратора в фиксированное (постоянное) положение, при котором решено снимать характеристику. Увеличивая тормозную нагрузку, устанавливают скоростной режим двигателя, соответствующий минимально устойчивой рабочей частоте вращения двигателя. Это первая точка 10

характеристики. После стабилизации теплового режима производят замеры, необходимых параметров работы двигателя, которые записываются в протокол испытаний. Далее, изменяя регулировку тормоза, устанавливают следующий скоростной режим двигателя, при котором после стабилизации теплового режима производят замеры параметров работы двигателя на второй точке характеристики и т. д. до скоростного режима, соответствующего 1,1⋅nном. Для построения скоростной характеристики двигателя число скоростных режимов, при которых проводятся измерения, должно быть не менее 6…8, т.е. достаточным, чтобы выявить форму и характер кривых во всем диапазоне обследуемых режимов. Обычно скоростные режимы устанавливают кратными 100 об/мин. Замер каждой точки характеристики включает измерение следующих параметров работы двигателя: • Pвес - усилия на динамометре тормоза, Н; • τ - времени расходования двигателем заданной дозы топлива ∆Gт, с; • ∆n - частоты вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; • tв вых - температуры воды на выходе из двигателя, °С; • tмас и pмас – температуры, °С, и давления масла, МПа, в двигателе; • tr - температуры отработавших газов, °С; • ϕз - угла опережения зажигания, град; • ∆Vв - объемного расхода воздуха за время τ, м3/с; • В0, t0 и ϕ - соответственно, атмосферного давления, мм рт. ст., температуры воздуха, °С, и влажности воздуха, %. По результатам измерений рассчитываются по формулам, которые приведены в методических указаниях [1] (см. список литературы), и наносятся на график с изображением экспериментальных точек значения следующих показателей: Me, Gт, Gв. Затем, по результатам замеров и, если необходимо, то с 11

использованием откорректированных кривых M eo , Gтo , Gвo рассчитываются и наносятся на графики остальные показатели двигателя Ne, ge и т.д. Часто величины α, ηv, а также значения угла опережения зажигания ϕз, температуры отработавших гaзов tr и других параметров наносятся на отдельный график. Для внешней скоростной характеристики на графике обычно указывается значение как приведенной, так и не приведенной мощности и крутящего момента. Пример построения графиков внешней скоростной характеристики двигателя приведен ниже, на рис. 4. Bопросы для самопроверки 1. Что называется скоростной характеристикой двигателя? 2. Чем отличается внешняя скоростная характеристика от частичной? 3. Какие характерные режимы и показатели определяются по внешней скоростной характеристике? 4. Объясните характер изменения по внешней характеристике следующих показателей рабочего процесса: ηv, pi, pe и Ne. 5. Что такое коэффициент запаса крутящего момента? 6. Почему эффективный удельный расход топлива увеличивается при низких и высоких частотах вращения и уменьшается на средних скоростных режимах? 7. Что такое минимальная частота вращения по внешней характеристике и чем она определяется? 8. Что такое максимальная и номинальная мощность двигателя? 9. Каков порядок снятия внешней скоростной характеристики на стенде?

12

Лабораторная работа 2 Исследование скоростной характеристики дизельного двигателя с регуляторной ветвью Цель работы 1. Установить закономерность изменения основных параметров дизельного двигателя от скоростного режима, при неизменном положении органа управляющего подачей топлива. 2. Определить частоты вращения двигателя, соответствующие максимальному крутящему моменту, максимальной мощности, минимальному расходу топлива.

Рис. 4. Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя 13

Нео6ходимые сведения Изменение мощностных и экономических показателей двигателя, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, оценивают по скоростным характеристикам. Скоростной характеристикой дизеля называют зависимость мощности Ne, крутящего момента Me, среднего эффективного давления pe, часового Gт и удельного gе расхода топлива, а также других показателей рабочего процесса от скоростного режима двигателя, полученную при постоянном положении рейки топливного насоса (органа, регулирующего подачу топлива). Скоростная характеристика, соответствующая получению максимальной мощности на каждом скоростном режиме, называется внешней характеристикой. Такая характеристика является обычно паспортом двигателя. Понятие внешней характеристики дизелей, вследствие особенностей дизельного процесса, будут зависеть от регулировки подачи топлива на номинальных оборотах, т.е. установки рейки топливного насоса. В связи с этим различают следующие внешние характеристики дизеля. Если, при снятии характеристики положение рейки на номинальных оборотах соответствует оптимальному регули14

рованию, т.е. подобранному по пределу дымления, а на остальных скоростных режимах остается постоянным, то такая внешняя характеристика называется нормальной (см. рис. 5 кривая 1) или эксплуатационной внешней характеристикой. Отметим, что по нормальной характеристике на скоростных режимах, меньших номинального, предел дымления обычно достигается вследствие некоторого уменьшения цикловой подачи топлива и увеличения наполнения с уменьшением частоты вращения, т. е, увеличения α. Это приводит к относительному снижению располагаемой мощности по мере уменьшения скорости вращения.

воздуха (α = 1,1) pa6oтa сопровождается, как отмечалось, резким ухудшением экономичности, образованием дыма на выхлопе и перегревом двигателя. В связи с этим максимальную подачу топлива ограничивают установкой специального упора перемещения рейки так, чтобы на номинальных оборотах достигался предел дымления (эксплуатационная внешняя характеристика). Специальным корректированном (исправленном) характера изменения цикловой подачи с уменьшением оборотов, о чем будет оказано ниже, эксплуатационную внешнюю характеристику приближают к предельной по началу дымления. Примерный характер изменения основных показателей рабочего процесса по внешней эксплуатационной характеристике дизеля показан на рис. 6 а, б сплошными линиями; пунктиром показано протекание кривых при корректировании цикловой подачи топлива.

Рис. 5. Скоростная характеристика дизеля

Внешняя характеристика называется предельной, по началу дымления, или оптимальной (рис. 5, кривая 2), если все точки её соответствуют нагрузкам, полученным по пределу дымления, кривая 3 на рис. 5 представляет собой внешнюю характеристику, полученную при таком положении рейки, которое соответствует максимальной мощности при номинальной частоте вращения. Такую характеристику называют внешней характеристикой максимальной мощности. Возможно, также получить так называемую абсолютную характеристику (рис. 5, кривая 4) при условии, что все точки её будут соответствовать максимально достижимой мощности. Длительная эксплуатация дизелей в обычных условиях по характеристикам 3 и 4 недопустима, так как из-за недостатка 15

Рис. 6. Изменение основных показателей рабочего процесса дизеля

Для выяснения причин, влияющих на характер изменения кривых Me и Ne по внешней характеристике, воспользуемся уравнениями, известными из теории рабочего процесса: з (8) M e = B ⋅ i ⋅ з v ⋅ з м или M e = B1 ⋅ Дgц ⋅ з i ⋅ з м б 16

зi ⋅ зv ⋅ з м (9) б где B, B1, A - постоянные для данного двигателя величины, учитывающие литраж, тактность, состояние воздуха на впуске и физико-химические свойства топлива, Из уравнений (8) и (9) видно, что на характер изменения крутящего момента дизеля влияют цикловая подача топлива ∆gц, коэффициент наполнения ηv, индикаторный к.п.д. ηi и механический к.п.д. ηм двигателя. Типичные зависимости этих величин от скоростного режима двигателя приведены на рис. 6, б. С увеличением скоростного режима двигателя увеличиваются, как известно, гидравлические потери на тактах впуска и выпуска. Вследствие этого, коэффициент наполнения дизеля от значения ηvmax уменьшается с увеличением частоты вращения. Уменьшение наполнения от ηvmax с понижением частоты вращение объясняется влиянием фаз газораспределения, оптимальное значение которых подбирается для скоростного режима, соответствующего примерно (0,4…0,6)nном. С увеличением частоты вращения дизеля мощность, затрачиваемая на преодоление механических потерь, возрастает и механический к.п.д. соответственно уменьшается. Отмеченное изменение ηv и ηм, как это видно из уравнения (8) и графиков, вызывает уменьшение крутящего момента или среднего эффективного давления с увеличением скоростного режима, причем только в области малых частот вращения может наблюдаться некоторое увеличение Me, обусловленное соответствующим увеличением наполнения. Цикловая подача топлива у дизелей, снабженных аппаратурой разделенного типа, с увеличением частоты вращения несколько возрастает при неизменном положении рейки или в некоторых случаях остается постоянной. Индикаторный к.п.д. в большинстве случаев с увеличением частоты вращения возрастает лишь до определенного скоростного режима, Ne = A ⋅

17

В результате сухарного воздействия рассмотренных факторов (ηv, ηм, ηi, ∆gц) изменение Me или Рс с увеличением частоты вращения от числа, соответствующего M emax до минимальных происходит полого, т.е. в относительно небольших пределах. Пологая характеристика протекания Me обуславливает у дизелей меньший, чем у карбюраторных двигателей, коэффициент запаса крутящего момента: M emax − M eном (10) M= M eном

M eном - крутящий момент двигателя при номинальной частоте вращения. Для увеличения коэффициента M, т. е. увеличения крутизны протекания крутящего момента, а также с целью некоторого повышения мощности при оборотах, меньших чем номинальные, изменяют характеристику ∆gц=f(n) путем установки специальных приспособлений-корректоров топливоподачи. С помощью корректора цикловую подачу увеличивают по мере уменьшения оборотов, примерно на 10…15 % и тем самым добиваются лучшего согласования подачи топлива и воздуха. На рис. 6 а, б пунктиром показаны характеристики дизеля при использовании корректора. Увеличение цикловой подачи с уменьшением оборотов вызывает, как это показано на графиках, обогащение смеси, что, естественно, несколько уменьшает индикаторный к.п.д. Но при этом в скоростном диапазоне характеристика приближается к предельном по началу дымления и происходит увеличение Me и Ne. Характер изменения мощности в зависимости от частоты вращения находит свое объяснение из анализа уравнения, мощность возрастает по мере повышения скоростного режима до тех пор, пока влияние α сказывается в большей степени, чем уменьшение (ηv и ηм). Так как с некоторого значения частоты вращения (n>nном) наполнение и механический к.п.д. на18

чинают уменьшаться тем быстрее, чем больше n, то возможно достижение скоростного режима, при котором мощность будет максимальна и дальнейшее увеличение оборотов приведет лишь к снижению её. Характер изменения удельного эффективного расхода топлива от скоростного режима можно проанализировать, воспользуясь уравнением: 1 ge = C ⋅ (11) зi ⋅ з м 6,32 ⋅ 105 . Hи Как видно, удельный расход топлива определяется величиной, обратной произведению з i ⋅ з м . Увеличение ge от минимального его значения с увеличением оборотов происходит, главным образом, вследствие уменьшения механического к.п.д. и возможного в области максимальных оборотов снижения ηi. Увеличение ge в области малых оборотов объясняется снижением ηi из-за увеличения тепловых потерь в стенки и ухудшения распыливания топлива. Характерными скоростными режимами внешней характеристики дизеля (см. рис. 6, а) являются: • nном - режим, соответствующий номинальной мощности Nном; • nM e - режим, соответствующий максимальному крутягде C =

Регулирование скоростного режима и регуляторная характеристика дизелей Режим работы двигателя внутреннего сгорания характеризуется его нагрузкой и частотой вращения. Для каждого двигателя обе характеристики режима могут изменяться в определенных пределах. Тот или иной установившийся скоростной режим работы двигателя в рассматриваемый отрезок времени возможен тогда, когда момент, развиваемый двигателем, и момент, создаваемый внешней нагрузкой, равны. В отличие от карбюраторных двигателей, дизели обладают значительно меньшей устойчивостью установившегося режима, т.е. способностью к саморегулированию частоты вращения при изменении внешней нагрузки. Это объясняется, главным образом, отмеченным ранее пологим характером изменения крутящего момента по скоростной характеристике. Зависимость крутящего момента от частоты вращения для дизеля сплошными линиями и карбюраторного двигателя пунктирами показана при различных положениях органа управления на рис. 7. В случае карбюраторного двигателя при малом открытии дроссельной заслонки и резком снижении нагрузки до нуля, частота вращения коленчатого вала не превышает номинального, т.е. не опасно (см. рис. 7, а). При полном открытии дрос-

щему моменту M emax ;

• ng e - режим, соответствующий минимальному удельному эффективному расходу топлива; • nmax – максимальная частота вращения холостого хода, ограничиваемая регулятором; • nmin - минимально устойчивая частота вращения при полной нагрузке, обеспечиваемая регулятором. 19

Рис. 7. Зависимость показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала 20

сельной заслонки частота вращения хотя и может превысить номинальную, то также не опасно, так как допустима кратковременная работа карбюраторного двигателя с частотой вращения на 30…50 % больше номинальной. Для дизелей, как видно из рис. 7, а (сплошные линии). при всех положениях органа управления, возможно достижение частоты вращения значительно выше номинального (допускаемого), т.е. дизели могут разгоняться в случаях резкого уменьшения нагрузки при любой подаче топлива. При полной подаче топлива превышение номинальной частоты вращения ограничивается у дизелей не только прочностными условиями, но и резким ухудшением качества рабочего процесса в связи с заметным снижением α. Поэтому дизели, независимо от типа и условий эксплуатации, снабжаются регуляторами, ограничивающими максимальную частоту вращения, что в большинстве случаев не обязательно для карбюраторных двигателей. Существенное значение дал транспортных двигателей имеет устойчивость режима холостого хода при малых оборотах (прогрев, переключение передач, кратковременные стоянки). Устойчивость режима холостого хода зависит от характера изменения по частоте вращения среднего индикаторного давления рi и среднего давления трения рм, а обороты холостого хода определяются их равенством. В случае дизеля с насосом золотникового типа сочетание изменений pi и pм (см. рис. 7, б) получается таким, при котором режим работы неустойчив. Действительно, небольшое изменение среднего давления pi (линия 2-2 или 3-3) приведет к значительному увеличению оборотов nmin или даже остановке двигателя. Поэтому на дизелях установка регуляторов минимальных оборотов необходима. Регулятор должен резко увеличивать или уменьшать цикловую подачу топлива в соответствии с изменением nmin так, чтобы обеспечивалось изменение pi по кривой а-б (рис. 7, б), что приводит к устойчивой работе дизеля. Аналогичная зави21

симость pi от nmin, имеющая место у карбюраторных двигателей без регулятора, обеспечивает им устойчивость работы на режиме холостого хода. Таким образом, дизели должны быть снабжены как минимум двухрежимным регулятором, который, воздействуя на рейку топливного насоса, должен обеспечивать устойчивые минимальные обороты холостого хода и ограничивать максимальные обороты. Как правило, двухрежимный регулятор лишь ограничивает минимальные и максимальные обороты, и регуляторная ветвь характеристики не является рабочей. Для увеличения устойчивости работы дизелей во всем скоростном диапазоне и при любых нагрузках (положение рейки топливного насоса) применяют, так называемые, всережимные регуляторы. Пример характеристики дизеля при использовании всережимного регулятора показан на рис. 8. Основное назначение такого регулятора состоит в том, чтобы поддерживать любой задаваемый скоростной режим двигателя практически постоянным (в пределах неравномерности работы регулятора ∆n=30…70 об/мин) при изменении нагрузки от холостого хода до нагрузки, соответствующей внешней характеристике. Величина ∆n на разных скоростных режимах разРис. 8. Скоростная характеристика лична и зависит от констдизеля с регулятором руктивных особенностей регулятора. Всережимные регуляторы резко увеличивают устойчивость работы дизелей на частичных нагрузках. Как видно из рис. 8 по регуляторным веткам происходит 22

резкое изменение мощности и других показателей рабочего процесса, что затрудняет их анализ. Поэтому характеристику работы двигателя с регулятором удобнее представить в виде так называемой регуляторной характеристики, показанной на рис. 9. Участки характеристики 1-2 соответствуют работе на регуляторе, а участки 2-3 - внешней характеристике. Работа двигателя по регуляторной характеристике (участок 1-2) примерно соответствует работе по нагрузочной характеристике, так как происходит при почти постоянной Рис. 9. Регуляторная характеристика дизеля частоте вращения с изменением нагрузки от холостого хода до максимально возможной. Регуляторные режимы работы особенно характерны для тракторных дизелей, большинства двигателей строительнодорожных машин и стационарных установок. Методика снятия характеристики Прогретый до рабочих температур масла и воды двигатель выводят на режим минимально устойчивых оборотов nmin, рекомендуемый заводом. Для этого плавно выдвигают рейку топливного насоса в положение "на упоре" (максимальная цикловая подача топлива) и одновременно регулировкой тормоза устанавливают режим nmin. После стабилизации теплового состояния проводят корректировку частоты вращения и производят основные замеры: • усилия Рвес или момента Ме по весам тормоза; 23

• частоты вращения n и расхода воздуха Gв за время τ, соответствующее расходу задаваемой навески топлива ∆Gт; • температуры воды tв и масла tм; • отработавших газов - tr; • барометрического давления Во; • влажности ϕ %; • температуры воздуха на впуске. Далее устанавливают следующий скоростной режим, оставляя неизменным положение рейки топливного насоса и увеличивая частоту вращения двигателя изменением регулировки тормоза. Интервалы по скоростному режиму выбирают кратными 100 об/мин и повторяют замеры. Начиная с режима, близкого к номинальной частоте вращения - nном, т.е. от момента начала работы регулятора, замеры производят через 40…20 оборотов до почти полной разгрузки двигателя. На регуляторной ветви характеристики необходимо произвести не менее 4…5 замеров. После обработки экспериментальных данных по соответствующим формулам должны быть построены необходимые графики, примерный вид которых показан на рис. 10. Вопросы для самопроверки 1. Каковы особенности определения внешней характеристики дизеля и что такое эксплуатационная внешняя характеристика? 2. Назовите характерные режимы внешней характеристики. 3. Объясните характер изменения по скоростной характеристике следующих параметров: α, ηv, ηм, ηi. 4. От каких факторов зависит характер изменения Ме или ре по скоростной характеристике? 5. Что такое коэффициент запаса крутящего момента? 6. Чем объясняется характер изменения кривых Ne и ge по скоростной характеристике? 7. Для чего осуществляют коррекцию подачи топлива по частоте вращения и как при этом происходит изменение основ24

ных показателей рабочего процесса? 8. Почему на дизелях необходимо устанавливать регуляторы частоты вращения? 9. Каково назначение двухрежимного и всережимного регуляторов? 10. Какова методика снятия скоростной характеристики на стенде?

Список рекомендуемой литературы 1. Испытания автомобильных двигателей. Характеристики автомобильных двигателей. Методические указания к самостоятельной работе студентов и выполнению лабораторных работ по дисциплине «Автомобили и Двигатели (ч. 3 «Автомобильные двигатели»)» для специальности 150200 «Автомобили и автомобильное хозяйство». – Улан-Удэ: Издательство ВСГТУ, 2001. 2. Испытания двигателей внутреннего сгорания: Учебник /Под ред. И.Я. Райкова. - М.: Высшая школа, 1975. 3. Автомобильные двигатели: Учебник /Под ред. В.Н. Ховаха. - М., Высшая школа, 1984. 4. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов: Учебник /Под ред. В.Н. Луканина. - 1-е изд.: - М. Высшая школа, 1995. 5. Конструкции автомобильных и тракторных двигателей: Учебник /Под ред. И.Я. Райкова, Г.Н. Рытвинского. - М.: Высшая школа. 1986.

Рис. 10. Скоростная характеристика дизельного двигателя

25

26

Подписано в печать 20.01.2005 г. Формат 60х84 1/16. Усл. п. л. 1,63. Уч. – изд. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ № 6. ___________________________________________________ Издательство ВСГТУ. г. Улан-Удэ, Ключевская, 40, в. @ ВСГТУ, 2005 г. 27