3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателяPost navigation

Внешняя скоростная характеристика дизеля

Отличительными особенностями дизелей являются меньшее сопротивление на впуске, а также возрастающие с ростом частоты вращения коленчатого вала механические потери и цикловая подача. Последнее происходит из-за уменьшения потерь через неплотности, при этом увеличивается так называемый активный ход плунжера ТНВД. Это в свою очередь приводит к неустойчивой работе дизеля при изменении частоты вращения коленчатого вала, т. е. с уменьшением нагрузки и соответственно возрастанием частоты вращения коленчатого вала может наблюдаться резкое ее увеличение вплоть до разноса двигателя. И, наоборот, при увеличении нагрузки и уменьшении частоты вращения коленчатого вала может произойти останов двигателя.

Поэтому, во-первых, изменение основных параметров цикла дизеля значительно отличается от карбюраторных двигателей и, во-вторых, диапазон эксплуатационных частот у дизелей значительно уже, чем у карбюраторных двигателей.

Пример внешней скоростной характеристики дизеля и изменение основных его параметров цикла при изменении частоты вращения коленчатого вала представлен на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Скоростные характеристики дизеля: а — зависимости изменений основных параметров цикла; б — зависимости изменений показателей работы двигателя

Кривая мощности Ne резко идет вверх с ростом частоты вращения коленчатого вала, что обусловлено одновременным ростом г|.„ х],, и цикловой подачи (7ТЦ при небольшом изменении цм.

Рост коэффициента наполнения rv на большей части, а у ряда дизелей и на всей скоростной характеристике, при одновременном росте цикловой подачи G создает условия для быстрого роста частоты вращения коленчатого вала до значений, грозящих разносу двигателя. Поэтому дизели имеют ограничения по частоте вращения коленчатого вала.

Кривая мощности дизельных двигателей имеет один перегиб г|м, второй перегиб при больших значениях Ne у дизелей находится за пределами эксплуатационных частот вращения. Таким образом, дизели используют только часть скоростной характеристики, отличающуюся наиболее высокими значениями параметров г|м, и гр.

Плавный характер изменения кривой Мк объясняется незначительными изменениями основных параметров цикла.

По этой же причине более плавный характер, чем у карбюраторных двигателей, имеют кривые ge и GT.

Так как дизель является двигателем с внутренним смесеобразованием и уже поэтому время, отведенное на смесеобразование у него сокращено, то очевидно, что с ростом частоты вращения коленчатого вала это время сокращается еще больше. Поэтому существуют такие значения частоты вращения коленчатого вала, когда происходит неполное сгорание топлива, но уже не по причине чрезмерной его подачи, как это наблюдалось по нагрузочной характеристике, а из-за недостатка времени на окисление топлива кислородом. В результате работа двигателя сопровождается появлением черного дыма в отработавших газах. Отрицательные последствия этого такие же, как и при работе дизеля в зоне дымления по нагрузочной характеристике. Но в отличие от нагрузочной характеристики работа дизеля в зоне дымления по скоростной характеристике имеет только нижнюю границу, а верхней не имеет (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Виды скоростных характеристик дизелей и области дымления: Г—1 — характеристика по пределу дымления; 2’—2 — характеристика максимальной мощности; 1—3 — эксплуатационная скоростная характеристика; 5—4 — эксплуатационная характеристика дизеля с всережимным регулятором; 5—6— эксплуатационная характеристика дизеля с корректором; 1—7— регуляторная характеристика с неправильно подобранным регулятором; 1—8— регуляторная характеристика с правильно подобранным регулятором; А—В — нижняя граница зоны дымления по частоте вращения; С—С — участок регуляторной характеристики с неправильно подобранным регулятором в зоне дымления

Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателяPost navigation

n – частота вращения коленчатого вала, мин -1 .

Таким образом, при прочих равных условиях, крутящий момент пропорционален величине среднего давления ре, а эффективная мощность прямо пропорциональна произведению ре·n. В свою очередь величина ре зависит от среднего индикаторного давления рi и среднего давления механических потерь pм.

(2.3)

Рассмотрим отдельно факторы, определяющие изменение величин рi и pм в зависимости от скоростного режима работы двигателя

(2.4)

где A — постоянный для данного двигателя коэффициент, учитывающий тактность и рабочий объем двигателя;

QH — низшая теплота сгорания топлива;

L — количество молей воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива;

ηм — индикаторный КПД двигателя;

Поскольку при снятии скоростной характеристики величиныипрактически остаются постоянными, то изменение величины будет зависеть лишь от изменения величин и

На рис. 2.2 показано изменение величин , и по внешней скоростной характеристике карбюраторного двигателя.

Рис. 2.2. Внешняя характеристика карбюраторного двигателя

еличина , характеризующая эффектвность протекания рабочего процесса в цилиндре, увеличивается с ростом скоростного режима, причем с увеличением скорости вращения вала рост постепенно замедляется. Причинами повышения являются улучшение процесса смесеобразования и уменьшение относительных потерь тепла в стенки цилиндра за время рабочего хода.

Коэффициент наполнения изменяется с ростом числа оборотов более сложным образом. Наполнение цилиндров зависит в основном от гидравлического сопротивления системы газообмена, подогрева заряда при впуске, а также от колебательных процессов, происходящих в впускной и выпускной системах. Поэтому на величину 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 (при nηv max ) достигалось наилучшее наполнение цилиндров. Ниже этого числа оборотов, коэффициент наполнения цилиндров снижается, т.к. уменьшается дозарядка цилиндра и даже возможен обратный выброс заряда из цилиндра через клапан во впускной трубопровод. При повышении скоростного режима от nηv max наполнение уменьшается из-за увеличения гидравлических потерь в системе впуска, которые возрастают пропорционально квадрату скорости движения смеси в трубопроводе.

Рис. 2.3. Мощностной

результате суммарного воздействия обеих факторов (и ) при увеличении скоростного режима среднее индикаторное давление pi сначала возрастает, достигая максимального значения при определенном числе оборотов nPi max, а затем уменьшается. Как правило, обороты, при которых достигается максимальное значение pi несколько выше оборотов, соответствующих максимуму коэффициента наполнения (рис.2.2).

Величина среднего значения механических потерь рм при увеличении числа оборотов двигателя возрастает по закону, близкому к линейному. При некотором числе оборотов кривые рм и рi, пересекаются и эффективная мощность будет равна нулю (рис. 2.3).

Это так называемое разносное число оборотов nразн, при котором двигатель будет работать на режиме холостого хода, т.к. вся индикаторная мощность затрачивается на преодоление механических потерь.

С увеличением числа оборотов от nmin величина pe, а, следовательно, и крутящий момент двигателя возрастают и достигают максимальных значений при определенном числе оборотов nMmax При дальнейшем увеличении числа оборотов величина ре и крутящий момент Me начинают уменьшаться, однако эффективная мощность, пропорциональная произведению Ре·n, продолжает возрастать и достигает своего максимального значения при более высоком числе оборотов nNe max . Для транспортных двигателей значение nNe max всего составляет 0,5-0,65 nMе max .

При увеличении скорости вращения вала выше nNe max эффективная мощность двигателя будет быстро падать из-за уменьшения коэффициента наполнения и увеличения механических потерь. При числе оборотов nразн эффективная мощность станет равна нулю. Практически двигатели при таких скоростных режимах не работают.

Рассмотрим характер изменения часового и удельного расходов топлива по внешней скоростной характеристики, для чего обратимся к выражению, связывающему часовой расход топлива с параметрами рабочего процесса двигателя

(2.5)

где C2 — коэффициент, учитывающий конструктивные особенности двигателя, физико-химические свойства и состав бензовоздушной смеси.

Как видно из формулы (2.5), при постоянном составе смеси величина часового расхода топлива в первую очередь определяется числом оборотов двигателя и коэффициентам наполнения.

При увеличении скоростного режима двигателя часовой расход топлива возрастает, однако, по мере уменьшения коэффициента наполнения, расход топлива увеличивается все в меньшей степени(рис. 2.4).

Рис. 2.4 График расхода топлива (удельного и часового)

инимальная величина удельного расхода топлива по внешней скоростной характеристике обычно наблюдается в зоне средних оборотов. Увеличение удельного эффективного расхода топлива с уменьшением числа оборотов объясняется возрастанием тепловых потерь, в первую очередь, обусловленных ухудшением процесса смесеобразования. С увеличением числа оборотов удельный расход топлива возрастает из-за увеличения механических потерь и соответствующего снижения ηМ. Поскольку эффективный удельный расход топлива определяется по формуле

(2.6)

то на скоростных режимах работы двигателя, при которых среднее эффективное давление, а следовательно, и эффективная мощность равны нулю (nразн), величина ge стремится к бесконечности.

Протекание рабочих циклов карбюраторных двигателей на прикрытых дроссельных заслонках связано с понижением всех давлений цикла, уменьшением количества тепла, выделяющегося при сгорании и более медленном его протекании. Одновременно с этим при меньших нагрузках возрастают относительные величины насосных, тепловых и механических потерь.

Читать еще:  Что такое контрактная коробка передач

В соответствии с этим изменяется характер скоростных характеристик, на рис. 2.5 показаны внешняя скоростная характеристика (кривая 1), три

Рис. 2.5. Скоростные характеристики карбюраторного двигателя и соответствующие им кривые мощности (Ne) и расхода топлива (ge):

1 — дроссельная заслонка открыта на 100% (внешняя характеристика)

2 — дроссельная заслонка открыта на 60%

2 — дроссельная заслонка открыта на 40%

4 — дроссельная заслонка открыта на 20%

частичные скоростные характеристики (кривые 2, 3 и 4), т. е. мощности и соответствующие им удельные расходы топлива при открытии дроссельной заслонки на 100, 60,40 и 20%. Чем больше прикрыта дроссельная заслонка, тем ниже давления цикла и заметнее возрастает по относительной величине (т. е. в процентах) сумма ранее указанных потерь. Поэтому максимумы кривых эффективных мощностей по мере прикрытия дроссельной заслонки сдвигаются в сторону меньших чисел оборотов, а удельные расходы возрастают сильнее. Действительно, если при 100%-ном открытии дроссельной заслонки максимум кривой мощности имел место при 3000 мин -1 , то при 60% эта точка сдвигается к 2500 мин -1 , при 40% — к 1500 и 20% — к 1000 мин -1 .

Внешняя скоростная характеристика дизеля

Цикловая подача воздуха зависит от Vhhvrk. В дизеле без наддува rk = r и изменение цикловой подачи воздуха в зависимости от частоты вращения целиком определяется характером изменения коэффициента наполнения.

В общем случае характер зависимости a (см. рис. 1.1, а) от частоты вращения определяется комплексом . Воздействуя на цикловую подачу топлива Qц, можно обеспечить любой характер зависимости a = f(n).

, (2.6)

, (2.7)

, (2.8)

где ; rт – плотность топлива.

Таким образом, характер изменения a с частотой вращения является одним из основных управляющих факторов при формировании внешней скоростной характеристики.

Для дизеля без наддува

,

где .

Рис. 2.2. Скоростные характеристики дизельного двигателя

Если изменять цикловую подачу топлива так, чтобы значение a оставалось неизменным, то момент будет изменяться пропорционально произведению hvηiηм. В этом случае при снижении частоты вращения ηi уменьшается, а ηм возрастает. Максимум Мк получим при hvηiηм = max. Дополнительное увеличение Mк можно получить снижая до определенных пределов a. В этом случае при уменьшении n более существенно, чем при a = idem, будет снижаться ηi (см. штриховые кривые на рис. 2.2). Здесь ограничение по снижению a связано с нормами дымности. Поэтому возможности повышения коэффициента запаса крутящего момента в дизеле без наддува ограничены и он обычно не превышает 10. 12%.

Для дизелей без наддува и с нерегулируемым наддувом помимо прямой коррекции скоростной характеристики топпивоподачи вынуждены прибегать к обратной коррекции. Этим достигается снижение дымности отработавших газов при работе дизеля с полной нагрузкой в зоне малых частот вращения.

Характер зависимости a = f(n) в большей мере определяет изменение ηi и температуры ОГ. Как правило, ηi при увеличении частоты вращения возрастает, а температура отработавших газов tг повышается, если коэффициент избытка воздуха остается при этом неизменным или незначительно возрастает. При заметном увеличении a, начиная с определенной частоты вращения, tг понижается с ростом n. Чтобы избежать уменьшения ηi при снижении частоты вращения (по сравнению с величиной ηi при номинальной частоте вращения), необходимо обеспечить заметное увеличение a. Это возможно осуществить соответствующим выбором сочетания характеристики топливоподачи и характеристик агрегатов, обеспечивающих наддув. Как показано выше, существенное увеличение a при снижении n затруднительно, так как необходимо одновременно достигнуть определенного запаса крутящего момента.

В дизеле без наддува rk = r = const и, следовательно, харак-тер изменения Мк (2.8) и ре (2.6) от частоты вращения определяется выражением (ηi/a)ηvηм. При уменьшении n снижается ηi/a, если одновременно a незначительно растет. Аналогичное по характеру, но более слабое изменение ηi/a имеет место при a = const.

Несмотря на это, Мк при снижении частоты вращения от nн до nMkmax растет из-за преобладающего влияния увеличения ηv и особенно ηм (см. рис 1.1, б). При дальнейшем снижении n крутящий момент уменьшается из-за преобладающего влияния уменьшения ηi/a и ηv. Увеличение коэффициента запаса крутящего момента можно в рассматриваемом случае достигнуть коррекцией скоростной характеристики топливоподачи. При этом a будет уменьшаться по мере снижения n, ηi, но будет обеспечено увеличение ηi/a и Мк. Следовательно, получение необходимого запаса крутящего момента сопряжено со снижением ηi. Запас крутящего момента дизелей с ненастроенными и нерегулируемыми системами газотурбинного наддува может быть меньше, чем у дизелей без наддува, из-за уменьшения rk при снижении частоты n. Если путем соответствующей организации воздухоснабжения сохранять при сни-жении n достаточно высокое значение ηi, то увеличением цикловой подачи топлива можно достигнуть необходимого прироста крутящего момента.

Для дизелей без наддува и особенно с нерегулируемой и ненастроенной системой наддува Мк сравнительно мало изменяется в зависимости от частоты вращения.

При снижении частоты вращения ηi, как правило, уменьшается, а ηм увеличивается. Удельный эффективный расход топлива ge достигает минимума обычно при некоторой средней частоте вращения, когда обеспечивается максимум произведения ηiηм.

Если на дизеле нет автомата угла опережения впрыскивания, а оптимальное значение последнего выбирают при частоте вращения, близкой к номинальной, то в зоне малых частот jо.вп оказывается чрезмерно большим, что влечет за собой повышенные значения максимального давления Рz, l, (Dр/Dj)mах, температуры деталей, содержания в ОГ оксидов азота и пр. Если jо.вп при всех частотах вращения близок к оптимуму, то, как правило, максимальное давление сгорания растет при увеличении n, причем особенно резко на дизеле с нерегулируемым наддувом. Характер изменения (Dр/Dj)mах = f(n) зависит от индивидуальных особенностей двигателя.

Дымноcть ОГ, как правило, снижается, а содержание оксидов азота растет при увеличении частоты вращения.

Ne, Mк, Ре и расходы топлива по внешней скоростной характеристике приводятся к стандартным атмосферным условиям: барометрическое давление – 100 кПа, температура воздуха – 25 °С и относительная влажность воздуха – 50%. Стандартную температуру топлива принимают 25 °С, а стандарт-ную плотность топлива – 0,823 т/м 3 .

Регуляторная ветвь скоростной характеристики дизеля. Решающую роль в формировании зависимости показателей дизеля от частоты вращения по регуляторной ветви играет уменьшение цикловой подачи топлива с ростом n, осуществляемое автоматическим регулятором. Так как диапазон изменения n по регуляторной ветви невелик, то изменение показателей дизеля связано в основном с изменением нагрузки. Поэтому для анализа регуляторной ветви скоростной характерис-тики можно воспользоваться сведениями, приведенными при рассмотрении нагрузочной характеристики. Отметим лишь, что по регуляторной ветви несколько резче падает hм, так как кроме уменьшения нагрузки это вызывается также одновременным небольшим ростом частоты вращения. Коэффициент наполнения может не изменяться по регуляторной ветви, поскольку влияние уменьшения подогрева компенсируется увеличением потерь давления во впускной системе из-за повышения скорости движения заряда с ростом n.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы особенности определения внешней характеристики дизеля и что такое эксплуатационная внешняя характеристика?

2. Назовите характерные режимы внешней характеристики.

3. Объяснить 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 основных показателей рабочего процесса?

8. Почему на дизелях необходимо устанавливать регуляторы частоты вращения?

9. Каково назначение двухрежимного и всережимного регу-ляторов?

10. Какова методика снятия скоростной характеристики на стенде?

Характеристики двигателя

В двигателе внутреннего сгорания выделяющиеся при сгорании топлива газы давят на поршень, и через преобразующий механизм выполняют механическую работу по вращению коленчатого вала двигателя. Затем эта работа используется для вращения ведущих колес автомобиля. Любой двигатель обладает определенной мощностью и крутящим моментом. Большинство людей при оценке автомобиля в первую очередь обращают внимание на мощность его двигателя и не очень интересуются крутящим моментом, хотя его значение существенно влияет на поведение автомобиля на дороге. Крутящий момент на вале двигателя представляет собой произведение величин силы и длины плеча ее действия.
Современной единицей измерения крутящего момента является ньютонометр (Н•м). Крутящий момент, создаваемый двигателем, зависит от рабочего давления внутри цилиндра двигателя, площади поршня, радиуса кривошипа коленчатого вала и ряда других параметров. Поскольку время воздействия давления газов на поршень изменяется при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя, крутящий момент также изменяется. Если умножить величину крутящего момента, соответствующую определенной частоте вращения вала двигателя, на его угловую скорость, получим значение мощности двигателя, развиваемой при этой скорости. Начиная с XVIII в., единицей измерения мощности была лошадиная сила. Современной международной единицей измерения мощности является киловатт(кВт). При этом лошадиную силу (л. с. ) довольно часто продолжают указывать в технических характеристиках автомобильных двигателей. Для того, чтобы перевести мощность, указанную в киловаттах, в лошадиные силы, нужно умножить ее значение на 1, 34.

Читать еще:  Как удалить вмятину на пороге машины

Внешняя скоростная характеристика ДВС:
Ne — эффективная мощность;
Me — эффективный крутящий момент;
Mmax — максимальный крутящий момент;
Nmax — максимальная мощность;
МN — крутящий момент, соответствующий максимальной мощности;
ω — угловая скорость вала двигателя

Профессиональные автомобилисты для оценки работы двигателя используют скоростные характеристики, которые представляют собой зависимость крутящего момента двигателя и его мощности от угловой скорости или частоты вращения его вала, они называются «скоростные характеристики двигателя». Скоростные характеристики реальных двигателей получают при их испытаниях на специальных стендах. Очевидно, что значения показателей двигателя будут зависеть от количества поступающего в двигатель топлива, то есть от положения педали «газа». Зависимость скорости автомобиля, полученная при максимальной подаче топлива в цилиндры двигателя, называется «внешней скоростной характеристикой» (ВСХ).
На графике скоростной характеристики отмечаются минимальные и максимальные обороты коленчатого вала двигателя. Как можно заметить из приведенной скоростной характеристики ДВС, крутящий момент достигает своего максимального значения при средних оборотах вала, а затем, при дальнейшем увеличении частоты вращения, снижается. Хорошо это или плохо? Давайте представим себе автомобиль, который движется по ровной горизонтальной дороге с максимальной скоростью, а его двигатель имеет такую кривую изменения крутящего момента. Максимальная скорость наступает при оборотах двигателя, близких к наибольшим, когда сила, приложенная к ведущим колесам автомобиля и соответствующая крутящему моменту двигателя при этих оборотах, увеличенному с помощью трансмиссии, уравняется с силами сопротивления движению, действующими на автомобиль. Если на дороге перед этим автомобилем возникнет даже небольшой подъем, сила сопротивления увеличится, а обороты двигателя уменьшатся. Что же произойдет при этом с крутящим моментом двигателя?
Из скоростной характеристики можно заметить, что уменьшение оборотов двигателя приведет к небольшому увеличению крутящего момента. Если подъем на дороге не очень велик, то этого увеличения крутящего момента, подводимого к ведущим колесам, может хватить для его преодоления без перехода на более низкую передачу в трансмиссии автомобиля. Другими словами, двигатель с падающей характеристикой крутящего момента хорошо приспосабливается к увеличению сопротивления движению автомобиля. Причем, чем круче опускается кривая момента на скоростной характеристике при увеличении угловой скорости вращения вала двигателя, тем лучшей приспосабливаемостью он обладает.
Электрический двигатель имеет максимальное значение крутящего момента при минимальных оборотах, и при их увеличении крутящий момент постоянно снижается. Поэтому у электромобиля трансмиссия значительно упрощается — ему не нужна коробка передач. Любой автомобильный двигатель представляет собой совокупность механизмов и систем. Основными механизмами четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания являются кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и газораспределительный механизм (ГРМ).

Внешняя скоростная характеристика

Определение тягово-скоростных свойств автомобиля

Внешняя скоростная характеристика двигателя — это зависимость мощности двигателя (Ne) и крутящего момента (Ме) от частоты вращения коленчатого вала (а).

Для построения внешней скоростной характеристики необходимо определить значения величины крутяшего момента и мощности двигателя при работе двигателя с разной угловой скоростью коленчатого вала.

Задаться пятью – шестью значениями частоты вращения коленчатого вала двигателя nxот минимальной nmin до максимальной nmax, включая частоты при максимальной мощности nN и максимальном крутящем моменте nM.

Значение nmin для дизелей можно принять равным 600 об/мин, а для бензиновых двигателей800 об/мин.

Для бензиновых двигателей без ограничителя оборотов коленчатого вала nmax ≈ 1,1∙ nN, для остальных типов двигателей nmax = nN.

Эффективные мощность Nex и крутящий момент Mex на коленчатом валу двигателя определяются по формулам соответственно

Nex = Ne max (aE + bE 2 — cE 3 ), (1)

Mex = 9550 , (2)

где Nemax — максимальная эффективная мощность на коленчатом валу двигателя;

a, b, c — постоянные коэффициенты, зависящие от типа двигателя (длякарбюраторных двигателей a=b=c=1;для дизелей — а = 0,53, b = 1,56, с = 1,09);

E = nx / nN — степень использования частоты вращения коленчатого вала двигателя.

nmax ≈ 1,1∙ 4500 ≈ 4950 мин -1

Е1= = 0,2 при nmin= 800 мин -1

Е2= = 0,3 при nx= 1500 мин -1

Е3= = 0,6 при nx= 2700 мин -1

Е4= = 1при nx= nN= 4500 мин -1

Е5= = 1,1при nmax= 4950 мин -1

Nex1= 111,8×(0,2 + 0,2 2 — 0,2 3 ) = 22,8 кВт

Nex2= 111,8×(0,3 + 0,3 2 — 0,3 3 ) = 45,5 кВт

Nex3= 111,8×(0,6 + 0,6 2 — 0,6 3 ) = 83,2 кВт

Nex4= 111,8×(1 + 1 2 — 1 3 ) = 111,8 кВт

Nex5= 111,8×(1,1 + 1,1 2 — 1,1 3 ) = 109,5 кВт

Mex1 = 9550 = 272H·м

Mex2 = 9550 =290H·м

Mex3 = 9550 = 294,2H·м

Mex4 = 9550 = 237,3 H·м

Mex5 = 9550 = 211,2H·м

188.64.169.166 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Выбор формы внешней скоростной характеристики транспортного дизеля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Марков Владимир Анатольевич, Шатров Виктор Иванович

Представлена математическая модель системы автоматического регулирования частоты вращения транспортного дизеля. Проведены расчетные исследования влияния формы внешней скоростной характеристики на динамические качества дизельного двигателя , показатели токсичности его отработавших газов в переходном процессе разгона.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Марков Владимир Анатольевич, Шатров Виктор Иванович

Choice of vehicle engine full-load curve

The article presents the automatic control system mathematical model for a vehicle diesel engine . The calculation research of the influence of a full-load curve shape on the diesel engine dynamic characteristics, exhaust toxicity characteristics in the transient process is carried out.

Текст научной работы на тему «Выбор формы внешней скоростной характеристики транспортного дизеля»

Транспортное и энергетическое машиностроение

Выбор формы внешней скоростной характеристики транспортного дизеля

В.А. Марков, В.И. Шатров

Представлена математическая модель системы автоматического регулирования частоты вращения транспортного дизеля. Проведены расчетные исследования влияния формы внешней скоростной характеристики на динамические качества дизельного двигателя, показатели токсичности его отработавших газов в переходном процессе разгона.

Ключевые слова: дизельный двигатель, внешняя скоростная характеристика, переходный процесс, токсичность отработавших газов.

Choice of vehicle engine full-load curve

V.A. Markov, V.I. Shatrov

The article presents the automatic control system mathematical model for a vehicle diesel engine. The calculation research of the influence of a full-load curve shape on the diesel engine dynamic characteristics, exhaust toxicity characteristics in the transient process is carried out.

Keywords: diesel engine, full-load curve, transient process, exhaust gases toxicity

Эффективность использования транспортных средств и сельскохозяйственных машин в значительной степени определяется характеристиками установленных на них двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время все большее распространение на транспорте получают дизельные двигатели [1]. Такими двигателями оснащается большинство грузовых автомобилей, автобусов и сельскохозяйствен-

МАРКОВ Владимир Анатольевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Теплофизика»

ШАТРОВ Виктор Иванович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, зав. отделом НИИ

«Энергомашиностроение» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) e-mail: markov@power.bmstu.ru

ных машин. Расширяется их использование и на легковых автомобилях. Дизельные двигатели, работающие с повышенными степенью сжатия и коэффициентом избытка воздуха, в большей степени, чем другие двигатели, отвечают современным тенденциям развития двигателестрое-ния — улучшению экономических и экологических показателей транспортных установок. Однако реализация этого принципиального преимущества невозможна без обеспечения оптимальных характеристик и параметров дизеля, которые целесообразно изменять в соответствии с режимом работы и условиями эксплуатации. Поэтому дизельные двигатели оснащают системами автоматического управления и регулирования (САР и САУ), осуществляющими целенаправленное изменение указанных характеристик и параметров, обеспечивая, тем самым, требуемый характер протекания рабочего процесса на каждом эксплуатационном режиме.

Работу дизельного двигателя, в первую очередь, определяют его скоростной и нагрузочный режимы (угловая скорость вращения коленчатого вала юд, или число его оборотов п и эффективный крутящий момент Ме, или положение дозирующей рейки Лр). Область возможных режимов дизельных двигателей на плоскости с координатами гад — Mе ограничена внешней скоростной характеристикой 1 (рис. 1), предельной регуляторной характеристикой 2 и регуляторной характеристикой 5, соответственно на номинальном (максимальном) и минимальном скоростных режимах [1]. На промежуточных скоростных режимах формируются частичные регуляторные характеристики 3, 4 различной формы.

Читать еще:  Прокладка клапанной крышки

Энергия, вырабатываемая двигателем транспортного средства, затрачивается, в основном, на преодоление сопротивления качению колес, аэродинамического сопротивления и сопротивления, связанного с преодолением сил инерции. При этом формируются характеристики 6—8 (см. рис. 1) момента сопротивления Мс, близкие по форме к квадратичной параболе [2]. Каждая точка пересечения характеристик Mе (кривые 1—5) и Mc (кривые 6—8) соответствует статическому режиму. Наиболее важными

статическими режимами являются номинальный режим и режим максимального крутящего момента (соответственно точки А и В на рис. 1). Следует отметить также режимы холостого хода при максимальной (точка С) и минимальной (точка D) угловых скоростях вращения юд, на которых Ме = 0 и наблюдается наименьший расход топлива.

Рис. 1. Статические характеристики момента двигателя Ме (1—5) и момента сопротивления Mc (6—8):

1 — внешняя скоростная; 2 — предельная регуляторная; 3, 4 — частичные регуляторные;

5 — регуляторная характеристика при минимальной угловой скорости вращения коленчатого вала;

6—8 — характеристики момента сопротивления при различных настройках потребителя

Выделяют установившиеся и неустановившиеся режимы. Признаком неустановившихся (динамических) режимов является переменность параметров двигателя. Производные этих параметров по времени отличны от нуля (например, dШд/dt Ф 0). Частный случай неустановившихся режимов — переходные процессы, соответствующие переводу дизельного двигателя с одного установившегося режима на другой. К наиболее характерным переходным процессам относятся разгон двигателя (процесс F—A на рис. 1) и наброс нагрузки (процесс С—А) или обратные им переходные процессы торможения и сброса нагрузки.

Основной функцией САР частоты вращения дизельного двигателя является автоматическое поддержание заданного водителем скоростного режима, т. е. формирование регуляторной характеристики (например, характеристики А—С на рис. 1). Важнейшая дополнительная функция САР — формирование внешней скорост-

ной характеристики (ВСХ) А—В—Е (или характеристики 1) требуемой формы. Транспортные дизельные двигатели большую часть времени эксплуатируются на режимах этой характеристики с максимальной мощностью (крутящим моментом Ме) и именно на этих режимах расходуется большая часть топлива и образуется значительная часть токсичных компонентов отработавших газов (ОГ). Причем характер изменения ВСХ дизельного двигателя Ме = /(и) определяется, в первую очередь, характеристикой цикловой подачи топлива qц = /(и).

ВСХ ограничивает максимально возможную подачу топлива в диапазоне скоростных режимов от номинального до нулевого. Эта характеристика отличается наименьшими значениями коэффициента избытка воздуха а и имеет участки коррекции А—В, отрицательной коррекции В— Е и пусковой подачи (на рис. 1 этот участок не показан). На участке коррекции подача топлива определяется заданными мощно-стными показателями, на участке отрицательной коррекции — допустимым уровнем дым-ности ОГ, на участке пускового обогащения — возможностью надежного запуска дизеля.

Форма ВСХ выбирается с учетом компромисса между мощностными, экономическими и экологическими показателями дизельного двигателя [1, 3, 4]. Для транспортных дизельных двигателей, работающих в условиях переменных нагрузок, необходимо обеспечить заданные значения коэффициента приспособляемости по крутящему моменту (отношение максимального крутящего момента двигателя к номинальному) и по частоте вращения (отношение номинальной частоты вращения к частоте вращения при максимальном крутящем моменте). Поэтому на участке положительной коррекции с уменьшением частоты вращения увеличивают цикловую подачу топлива на 10. 45% (коэффициент приспособляемости по крутящему моменту ^=1,1—1,45) [1, 3]. В дизельных двигателей 4 СТ 90 фирмы Лпёопа (Польша) указанный рост подачи топлива сопровождается увеличением крутящего момента двигателя со 150 Нм (при и = 4 100 мин-1) до 200 Н-м (при и = 2 500 мин-1), т. е. на 33% (рис. 2) [3]. Коэффициент приспособляемости

по частоте вращения в транспортных дизельных двигателях обычно составляет ка = 1,45—2,6, а общий коэффициент приспособляемости — ко=кмкю=1,75—3,55 [1, 3].

Чем выше коэффициент приспособляемости дизеля, тем лучше динамические качества авто-

Рис. 2. Зависимость эффективных крутящего момента двигателя Ме и расхода топлива ge, коэффициента избытка воздуха а, массовых выбросов с ОГ оксидов азота EN0x, монооксида ЕС0 и диоксида ЕС02 углерода, несгоревших углеводородов ЕСНх и дымности ОГ K от частоты вращения n на режимах ВСХ:

1 — дизеля 4 СТ 90 фирмы Andoria (Польша); 2 — дизеля Gemini-3 фирмы Rover (Великобритания); 3 — дизеля Sofim-8140 фирмы Iveco (Италия)

мобиля. Причем наиболее благоприятное протекание корректорного участка обеспечивается при формировании характеристики крутящего момента в виде гиперболической кривой [1], но при этом необходимо увеличивать подачу воздуха с уменьшением частоты вращения дизельного двигателя, что достигается при управлении турбонаддувом. Обеспечение требуемого запаса по крутящему моменту и по частоте вращения позволяет реже переключать передачи трансмиссии и при временно возникающих перегрузках уменьшить вероятность перехода к режимам работы на участке отрицательной коррекции с меньшей мощностью, повышенной эмиссией продуктов неполного сгорания топлива и худшей экономичностью. Худшая экономичность дизельного двигателя и повышенная токсичность его ОГ на участке ВСХ с низкими частотами вращения обусловлены, в основном, малыми значениями коэффициента избытка воздуха. Поэтому на этих режимах имеет место недогорание топлива и ухудшение показателей дизельного двигателя.

Таким образом, на режимах с малыми частотами вращения ВСХ целесообразно уменьшать подачу топлива, формируя участок отрицательной коррекции. В транспортных дизельных двигателях такое уменьшение подачи топлива составляет 20. 35% по сравнению с номинальным режимом [1, 5]. Причем диапазон корректирования топливоподачи на этом участке зависит от конструктивных особенностей дизельного двигателя и степени его форсирования. Чем выше степень форсирования, тем требуется большее снижение цикловой подачи топлива. Такое протекание этого участка ВСХ позволяет сместить режимы работы двигателя в зону лучшей экономичности, снизить расход топлива (на 2. 12%), дымность ОГ (на 50. 60%) и уменьшить тепловую напряженность деталей двигателя [6].

Вместе с тем, реализация отрицательного корректирования топливоподачи может привести к ухудшению динамических качеств дизельного двигателя (увеличению времени переходного процесса на 0,5. 2 с), так как на режимах с малой п максимальная цикловая подача топлива ограничена [6, 7]. Поэтому величина

отрицательной коррекции ВСХ определяется с учетом как улучшения экономических и экологических показателей и снижения тепловой напряженности деталей дизельного двигателя, так и обеспечения его требуемых динамических качеств. Вместе с тем, динамические качества автомобиля определяются не только свойствами двигателя, но и запасом его мощности и параметрами трансмиссии. Поэтому введение корректирования топливоподачи на этом участке, приводящее к некоторому снижению динамических свойств дизельного двигателя, не сопровождается соответствующим снижением динамических качеств транспортной машины при условии выбора оптимального передаточного отношения трансмиссии.

Проблемам формирования ВСХ в транспортных дизельных двигателях посвящен ряд исследований [4, 5, 8]. Однако в этих исследованиях недостаточное внимание уделено оценке влияние формы этой характеристики на токсичность ОГ. Для оценки влияния формы ВСХ на показатели транспортного дизельного двигателя ниже проведены расчетно-экспери-ментальные исследования дизельного двигателя типа КамАЗ-740.

Одной из наиболее сложных задач является задача определения показателей токсичности ОГ в переходных процессах. Проведение экспериментальных исследований с целью определения показателей токсичности ОГ дизельных двигателей в переходных процессах — весьма трудоемко и не всегда возможно из-за отсутствия необходимой измерительной аппаратуры, позволяющей определять показатели токсичности ОГ на указанных режимах [9]. В связи с этим, разработку и совершенствование САР частоты вращения дизеля целесообразно проводить расчетно-экспериментальным путем. При расчетных исследованиях переходных процессов дизелей широко применяют системы линейных дифференциальных уравнений, описывающих элементы САР [1,7]. Однако, в ряде случаев целесообразна разработка нелинейных математических моделей, содержащих нелинейные дифференциальные уравнения и учитывающих реальные нелинейные характеристики параметров дизельных двигателей.

При этом указанные нелинейные характеристики могут быть заданы различным образом. Хорошие результаты дает описание этих характеристик полиномиальными зависимостями [10].

Выбор тех или иных математических моделей САР определяется типом исследуемых переходных процессов. Характерными переходными процессами являются процессы наброса и сброса нагрузки [1, 7]. Они отличаются незначительными отклонениями значений частоты вращения дизельного двигателя от ее значения на установившемся режиме, и при их исследованиях применение линейных моделей САР дает достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных. Для транспортных дизельных двигателей более характерны переходные процессы разгона и торможения [1,7]. Эти процессы отличаются широким диапазоном изменения регулируемого параметра — угловой скорости дизельного двигателя гад. При расчетных исследованиях этих переходных процессов целесообразно использовать нелинейные модели, учитывающие сложный характер взаимосвязи параметров дизельного двигателя в этих процессах.

Оценка влияния формы ВСХ на показатели токсичности ОГ дизельного двигателя в переходных процессах проведена с использованием разработанной математической модели САР комбинированного двигателя. В разработанной модели дифференциальные уравнения наиболее значимых элементов дизельного двигателя с турбонаддувом используются в следующем виде [1,7]:

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector