Внешние характеристики поршневых ДВС

Поршневые двигатели внутреннего сгорания без специальных устройств имеют жесткую характеристику, поэтому уменьшение или увеличение момента сопротивления приводит к аналогичному изменению мощности двигателя.

Основные характеристики неустановившейся нагрузки — период или частота изменения нагрузки и степень неравномерности нагрузки.

Степень неравномерности нагрузки, характеризующая изменение момента, определяется по формуле

где М_max, М_min— максимальное и минимальное значения момента;

∆ М — амплитуда колебания крутящего момента относительно его среднего значения М_cp.

Мгновенное значение крутящего момента на роторе определяется из уравнения

где т — круговая частота изменения нагрузки, т=2π /Т; Т — период изменения нагрузки.

Эксплуатационные качества поршневых двигателей внутреннего сгорания оцениваются по их характеристикам. Существуют различные характеристики ДВС — скоростные, винтовые, нагрузочные, универсальные, регулировочные и др. Наибольшее распространение получили скоростные характеристики. Они дают представление о показателях работы двигателя (эффективной мощности N_e крутящем моменте М_e  удельном расходе топлива g_e, и т. д. ) в зависимости от изменения частоты вращения вала n. Эти характеристики получаются при предельной, максимальной подаче топлива или топливно-воздушной смеси и при подачах, меньших максимальной. В соответствии с этим характеристики называются внешними и частичными, или дроссельными.

Таким образом, поле возможных режимов двигателей внутреннего сгорания ограничивается кривой максимально возможного момента (мощности) по внешней скоростной характеристике и ординатами максимальной и минимальной устойчивой частоты вращения коленчатого вала (рис. 2. 7).

Рис. 7. Внешняя характеристика дизеля со специальным корректором

подачи топлива (1) и без корректора (2)

Установившийся скоростной режим двигателя определяется условием равенства движущего момента двигателя М_e и момента сопротивлений М_c (рис. 7). Если вследствие изменения одного или нескольких факторов (крепости проходимых долотом горных пород при роторном бурении, изменения гидравлического сопротивления системы циркуляции бурового раствора и т. д. ) изменится момент сопротивлений (сместится вверх — пунктирная линия), то новый скоростной режим двигателя установится из условия нового равенства момента двигателя моменту сопротивления. Указанное изменение М_c связано с изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя на величину ∆ n (рис. 7). При менее выраженном падении М_e изменение частоты вращения вала двигателя становится больше (∆ n₂).

При некоторых условиях режим работы двигателя становится неустойчивым, когда справа от точки пересечения линий моментов М_e и М_c (характеристика 3 ) линия М_e имеет большие ординаты, чем линия моментов сопротивлений М_c. В этом случае при некотором увеличении М_c хотя бы очень небольшом и связанном с этим уменьшением n, разрыв в значениях моментов все увеличивается по мере отхода от первоначального скоростного режима и, если не воздействовать на орган управления, двигатель остановится. При уменьшении момента сопротивлений М_c двигатель пойдет вразнос.

Для оценки устойчивости режима работы двигателя используются следующие характеристики: фактор устойчивости F_д и коэффициент приспособляемости К_п.

Фактор устойчивости режима работы двигателя — это отношение дисбаланса

∆ (∆ М) =∆ М_с— ∆ М_е (разность изменений моментов сопротивлений и двигателя сравнительно с установившимся) к соответствующему отклонению частоты вращения от установившегося.

Характер сил, появившихся при выводе коленчатого вала из состояния равновесного вращения, определяется знаком F_д.

Если , то характеристика сопротивлений круче характеристики двигателя и режим устойчив. Фактор устойчивости при этом положителен и двигатель имеет положительное самовыравнивание. Если же , то F_д < 0, режим неустойчив и двигатель обладает отрицательным самовыравниванием.

Сравнительная оценка устойчивости режимов работы карбюраторных двигателей и дизелей показывает: при работе по внешней характеристике режим карбюраторного двигателя устойчивее; по мере перехода от внешней характеристики на частичные (дроссельные) устойчивость режима работы карбюраторного двигателя повышается, у дизелей переход с внешней характеристики на частичные почти не влияет на устойчивость режима.

Коэффициент приспособляемости определяется как отношение максимального крутящего момента по внешней характеристике к крутящему моменту при частоте вращения, соответствующей максимальному значению мощности N_е = mах

Для карбюраторных двигателей коэффициент приспособляемости К_п=1, 25 — 1, 45; для дизелей без специальных приспособлений, улучшающих этот показатель, К_п = 1, 15.

Характеристики поршневых двигателей внутреннего сгорания могут быть улучшены при использовании электрических, гидравлических передач и специальных корректоров подачи топлива.