Нагрузочная (дроссельная) характеристика двигателя.

Билет 55

Нагрузочная характеристика двигателя — это зави­симость часового G_T и удельного g_e расходов топлива и других показателей от нагрузки (эффективной мощности N_e, крутя­щего момента М_к или среднего эффективного давления р_е) при постоянной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Эта характеристика представляется соответствующими кривыми на графиках. Кроме указанных переменных, в нагрузочной характеристике дополнительно можно приводить изменение индикаторных и эф­фективных показателей рабочего цикла, токсичности, шума f вибраций, а также температурных, износных и других показа­телей.

Нагрузочная характеристика позволяет оценить топливную экономичность, износостойкость и токсичность двигателя при разной степени его загрузки и постоянной частоте вращения ко­ленчатого вала. Нагрузочная характеристика карбюраторного двигателя В соответствии с ГОСТ 14846—81 (СТ СЭВ 765—77) «Двига­тели автомобильные. Методы стендовых испытаний» нагрузочной характеристики определяют при постоянной частоте враще­ния, включенном зажигании и подаче топлива, при изменении открытия дросселя от полного до соответствующего холостому ходу после определения нагрузочных характеристик должны быть выявлены точки, соответствующие минимальным удельным расходам топлива. Так как автомобильный двигатель в ус­ловиях эксплуатации работает в широком диапазоне частоты вращения, то для выявления его топливной экономичности сни­мется несколько нагрузочных характеристик при различных значениях частоты вращения коленчатого вала.

Для определения нагрузочных характеристик двигателя его нагрузку при испытаниях изменяют с помощью тормозной уста­новки, а для поддержания постоянной частоты вращения колен­чатого вала изменяют степень открытия дроссельной заслонки карбюратора.

При максимальной нагрузке для данного скоростного режи­ма дроссельную заслонку карбюратора открывают полностью, по мере уменьшения нагрузки ее прикрывают и устанавливают в промежуточных положениях.

Нагрузочная характеристика двигателя приведена на ри­сунке 31. При испытании двигателя угол опережения зажига­ния устанавливают наивыгоднейшим для каждого нагрузочного режима с помощью вакуум-корректора. Характеристика опре­делена при постоянной частоте вращения коленчатого вала п = 2000 об/мин.

Кроме основных зависимостей G_T=f(N_e) и ge=f(N_e), на ри­сунке 31 показано изменение в условиях нагрузочной характе­ристики разрежений во всасывающем трубопроводе (за дрос­селем) Δр_к, угла опережения зажигания φ_заж, температуры от­работавших газов t_r, содержания окиси углерода в отработав­ших газах (СО в %).

На рисунке 32 приведено изменение коэффициентов полез­ного действия (индикаторного η_i, эффективного η _e и механиче­ского η_м), а также коэффициента избытка воздуха α и коэффи­циента наполнения η _v для двигателя ГАЗ-21 в условиях нагру­зочной характеристики при частоте вращения коленчатого вала n=2000 об/мин.

Проанализируем характер протекания и причины изменения показателей топливной экономичности двигателя ГАЗ-21 в ус­ловиях нагрузочной характеристики.

Характер кривых нагрузочной характеристики двигателя ГАЗ-21 типичен для автомобильного двигателя, карбюратор которого имеет экономайзер, позволяющий на эксплуатацион­ных нагрузках работать с экономичной регулировкой состава горючей смеси и в то же время при полном открытии дросселя; обогащая смесь, он дает возможность получить максимальную Мощность.

Возрастание часового расхода топлива с повышением нагруз­ки обусловлено увеличением открытия дросселя и разрежения в карбюраторе. Возрастание же удельного расхода топлива при понижении нагрузки связано с изменением механического и ин­дикаторного коэффициентов полезного действия, так как g_e = С/( η_iη_м ). Механический коэффициент полезного действия η _м с пони­жением нагрузки уменьшается от максимального значения на полном дросселе до нуля на холостом ходу. Как известно,

η _м = N_e/(N_e + N_M) = 1/(1 + N_м/Ne).

В первом приближении для нагрузочной характеристики, т. е. при условии постоянства частоты вращения, механические потери можно принять постоянными и тогда, согласно пред­ставленному выражению, механический коэффициент полезного действия будет зависеть от N_e. Действительное изменение механических потерь в условиях нагрузочной характеристики можно оценить по изменению сред­него давления механических потерь р_м. С увеличением нагрузки р_м несколько возрастает, главным образом за счет увеличения работы трения поршней, вызванного повышением давлений и температур в цилиндре. На нагрузках, близких к холостому ходу, р_м также имеет тенденцию к увеличению, что связано с ростом насосных потерь при прикрытии дросселя. Однако изме­нение механических потерь в условиях нагрузочной характери­стики не настолько существенно, чтобы резко повлиять на принципиальные заключения об изменении η_m, вытекающие из приближенного допущения постоянства N_м. Основные причины уменьшения индикаторного коэффициен­та полезного действия η_i карбюраторного двигателя с пониже­нием нагрузки: увеличение загрязненности свежего заряда оста­точными газами; увеличение тепловых потерь, отнесенных к 1 кВт; обогащение свежей смеси (уменьшение коэффициента избытка воздуха α). Для характеристики по нагрузке на величину γ_rособенно сильное влияние оказывает изменение коэффициента наполне­ния η_v,которое в условиях нагрузочной характеристики объяс­няется различными положениями дроссельной заслонки (сопро­тивлением впускного тракта). По мере уменьшения нагрузки (с прикрытием дросселя) коэффициент наполнения уменьша­ется.

Изменение γ_r существенно влияет «а протекание процесса сгорания. Увеличение загрязненности смеси остаточными газа­ми с прикрытием дросселя снижает скорость сгорания; при этом увеличиваются тепловые потери, вследствие чего уменьшается индикаторный коэффициент полезного действия.

Для компенсации загрязняющего действия остаточных га­зов с прикрытием дросселя и достижения устойчивого протека­ния сгорания в карбюраторе за счет дополнительных жиклеров создается автоматическое обогащение смеси. При увеличении нагрузки выше 85% номинальной смесь также автоматически обогащается за счет включения экономайзера. Этим достигает­ся повышение динамических качеств двигателя и становится возможным преодоление временно возросших сопротивлений. Расход топлива при этом увеличивается, индикаторный и эф­фективный коэффициенты полезного действия уменьшаются. Протекание кривой η_e = f {N_e) объясняется суммарным влиянием η_м и η_i на экономичность процесса.

Увеличение разрежения за дросселем Δр_к с прикрытием его используется для пневматического привода автомата опереже­ния зажигания.

Температура отработавших газов при повышении нагрузки двигателя возрастает, что связано с увеличением количества теплоты, подводимой за цикл.

Содержание, окиси углерода СО в отработавших газах резко возрастает на экономайзерном режиме и на холостом ходу, что объясняется обогащением смеси и характером протекания про­цесса сгорания на этих режимах.

Нагрузочная характеристика дизеля. В соответствии с ГОСТ 18509—80 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний» нагрузочную характеристику дизеля нужно снимать при постоянной частоте вращения, последова­тельно увеличивая подачу топлива в пределах изменения на­грузки от нуля до полной; частота вращения не должна отли­чаться от заданной более чем на 10 об/мин. При испытании дизеля для определения его нагрузочных ха­рактеристик нагрузку устанавливают с помощью тормозной установки, а для поддержания частоты вращения коленчатого вала постоянной изменяют подачу топлива, уменьшая или уве­личивая ход рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД).

Нагрузочная характеристика дизеля Д-50 показана на ри­сунке 33. Она представлена кривыми изменения часового G_T и удельного g_e расходов топлива в функции среднего эффектив­ного давления р_е. На графике показана также связь между эф­фективной мощностью и средним эффективным давлением

Проанализируем характер протекания и причины изменения показателей топливной экономичности в условиях нагрузочной характеристики дизеля.

Увеличение часового расхода топлива G_T с ростом среднего эффективного давления р_е объясняется тем, что повышение мощности достигается за счет дополнительной подачи топлива. Необходимо отметить, что при увеличении подачи топлива мощность может возрастать до известного предела, после кото­рого наступает снижение мощности, несмотря на увеличен часового расхода топлива. Левая ветвь кривой удельного расхода топлива показывает его повышение с уменьшением нагруз­ки, что обусловлено понижением механического! коэффициента полезного действия. Увеличение удельного расхода топлива в правой части, в области высоких нагрузок, объясняется сниже­нием индикаторного коэффициента полезного действия. Влияние механического и индикаторного коэффициентов полезного действия на удельный расход топлива было показано ранее. Изменение индикаторного, механического и эффективного коэффициентов полезного действия, коэффициента избытка воздуха, а также коэффициента наполнения дизеля Д-50 в ус­ловиях нагрузочной характеристики показано на рисунке 34.

Характер изменения механического коэффициента полезного действия в условиях нагрузочной характеристики дизеля объяс­няется теми же причинами, что и для карбюраторного дви­гателя. Индикаторный коэффициент полезного действия г], на зна­чительном участке возрастания р_е понижается. Это связано с уменьшением термического коэффициента полезного действия цикла в связи с увеличением степени предварительного расши­рения р и теплоемкости газов вследствие возрастания их сред­ней температуры и количества трехатомных газов в продуктах сгорания.

В области больших нагрузок увеличивается также и химиче­ская неполнота сгорания, что влияет на снижение индикаторно­го коэффициента полезного действия. Характер кривой эффек­тивного коэффициента полезного действия η_е объясняется ре­зультирующим влиянием индикаторного и механического коэф­фициентов полезного действия. Некоторое повышение коэффициента наполнения η_vпо мере снижения р_е связано с уменьшением температуры головки ци­линдров, клапанов, гильзы ипоршня. Коэффициент избытка воздуха а уменьшается при увеличении р_е,так как возрастает цикловая подача топлива и снижается коэффициент наполне­ния. При изменении нагрузочного режима также изменяются показатели рабочего цикла, температура деталей цилиндра и скорость изнашивания дизеля.

С увеличением нагрузки при снижении коэффициента из­бытка воздуха наблюдается рост максимального давления цикла, температуры отработавших газов, гильзы и поршня, а также скорости изнашивания.