г) минимальный удельный расход топлива по скоростной характеристике geмim (г/л.с.ч).
Рис. 1 Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя
Все эти данные позволяют оценить испытуемый двигатель по металлоемкости, использованию рабочего объема, степени форсирования, топливной экономичности, антидетонационным и некоторым другим качествам.
По скоростной характеристике исследуют закономерность хода всех кривых и прежде всего кривых изменения эффективной мощности и крутящего момента двигателя.
На графике эффективной мощности можно выделить несколько характерных участков. Так, в интервале от минимально устойчивой частоты вращения при работе двигателя с предельной нагрузкой до частоты вращения, соответствующей Мкмкс или ремакс, кривая мощности имеет прямолинейный характер. Таким образом, на этом участке мощность, развиваемая двигателем, изменяется прямо пропорционально частоте вращения коленчатого вала.
На участке от частоты вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту Мкмкс до частоты вращения, соответствующей номинальной мощности двигателя Neн, эффективная мощность увеличивается более медленно по следующим причинам:
а) уменьшение среднего индикаторного давления pt, происходящего из-за понижения коэффициентов наполнения и выделения тепла;
б) увеличение потерь давления рТ, расходуемого на преодоление сил трения и на привод вспомогательных механизмов.
При дальнейшем повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя после точки перегиба кривой эффективной мощности на скоростной характеристике последующее уменьшение р t и увеличение р т вызывают понижение эффективной мощности. Если представить, что давление механических потерь рТ станет равным среднему индикаторному давлению pt, то среднее эффективное давление ре и эффективная мощность Ne будут равны нулю и кривая мощности пересечет ось абсцисс; при этом частота вращения коленчатого вала двигателя станет максимально возможной.
Характер кривой pe=f(n) зависит от тех же факторов, что и кривой Mк=f(n), так как среднее эффективное давление и крутящий момент для двигателя являются параметрами, прямо пропорциональными один другому.
Среднее эффективное давление ре по скоростной характеристике изменяется в зависимости от ряда параметров, определяющих рабочий процесс карбюраторного двигателя.
При некоторой частоте вращения коленчатого вала среднее эффективное давление достигает максимального значения. С изменением частоты вращения среднее эффективное давление снижается, поскольку и при уменьшении и при увеличении частоты вращения проявляются факторы, ухудшающие рабочий процесс.
Среднее эффективное давление ре может быть определено из следующих выражений:
В единицах системы СИ (МН/м2):
где Qн -- рабочая теплотворная способность топлива;
а -- коэффициент избытка воздуха;
зх --коэффициент наполнения;
зi -- индикаторный КПД;
зм -- механический КПД.
Из приведенных выражений следует, что вид кривой ре --f(n) зависит от изменения параметров а; зх; зi; зм.
По мере увеличения нагрузки и снижения частоты вращения коэффициент наполнения и механический КПД. возрастают. Значение индикаторного КПД при различных скоростных режимах в диапазоне эксплуатационных нагрузок изменяется весьма незначительно. Для улучшения способности двигателя к преодолению временных перегрузок при уменьшении частоты вращения коленчатого вала двигателя горючую смесь в карбюраторе обогащают при помощи экономайзера. В этом случае коэффициент избытка воздуха, а уменьшается. Таким образом, характер изменения параметров а, зх и зм с увеличением нагрузки и снижением частоты вращения по скоростной характеристике предопределяет повышение среднего эффективного давления ре и соответственно крутящего момента двигателя Мк.
Пользуясь кривой крутящего момента скоростной характеристики, можно определить весьма важный динамический показатель -- коэффициент приспособляемости (или запаса крутящего момента), характеризующий способность двигателя к преодолению кратковременных перегрузок.
Двигатель с большим коэффициентом запаса крутящего момента в эксплуатационных условиях лучше преодолевает временное увеличение момента сопротивления (без необходимости перехода на низшую передачу). Коэффициент приспособляемости автомобильных карбюраторных двигателей составляет 1,1 --1,4.
Кривые крутящего момента и эффективной мощности по скоростной характеристике позволяют оценить правильность выбора фаз газораспределения, системы впускного тракта и степень форсирования двигателя по частоте вращения.
График часового расхода топлива скоростной характеристики, подобно кривой эффективной мощности, вначале также имеет прямолинейный характер, то есть часовой расход изменяется прямо пропорционально изменению частоты вращения. Объясняется это тем, что увеличивается число ходов всасывания в единицу времени и повышается разрежение в диффузоре карбюратора. Затем при дальнейшем возрастании частоты вращения коленчатого вала повышение часового расхода топлива вследствие уменьшения коэффициента наполнения замедляется. Достигнув некоторого предела, часовой расход топлива остается почти постоянным.
График удельного расхода топлива зависит от характера изменения индикаторного и механического КПД при изменении скоростного режима.
Максимальная мощность -- точка перегиба кривой Ne=f(n) и минимальный удельный расход топлива -- точка перегиба кривой ge=f(n) на скоростной характеристике не совпадают. Наименьший удельный расход топлива всегда располагается влево от наибольшей мощности.
II. Снятие скоростной характеристики дизельного двигателя
Порядок выполнения работы.
1. Подготовка двигателя. До начала испытаний рейку топливного насоса закрепляют в положении, соответствующем часовому расходу топлива, близкому к началу дымления при номинальной частоте вращения.
Для большинства тракторных двигателей устанавливают наивыгоднейший (по рекомендации завода-изготовителя) угол опережения начала впрыска топлива и сохраняют его постоянным во время всего испытания. При наличии в топливном насосе центробежной муфты регулирования угла опережения начала впрыска топлива оптимальный угол опережения начала впрыска устанавливается автоматически.
Положение рейки насоса и оптимальный угол опережения начала впрыска топлива, при которых будет проводиться испытание, определяют из ранее снятых регулировочных характеристик двигателя. Давление начала впрыска топлива форсунками устанавливают по данным, рекомендуемым заводом-изготовителем.
До начала испытаний двигатель прогревают, пока не установится нормальный тепловой режим.
Требуемую частоту вращения коленчатого вала дизеля во время проведения испытаний, устанавливают, регулируя тормозную нагрузку.
2. Последовательность проведения опытов. Первый опыт проводят при наибольшей нагрузке и пониженной частоте вращения коленчатого вала, обеспечивающей устойчивую работу дизеля. Опыт проводят через 3--5 мин после установления скоростного режима. Во время опыта измеряют тормозной момент, частоту вращения вала тормоза, расход топлива за опыт, продолжительность опыта, статический напор в устройстве для измерения расхода воздуха, температуру охлаждающей воды, масла в картере и отработавших газов. Кроме того, наблюдают за дымностыо выхлопа или измеряют ее при помощи дымомера.
По опытным данным подсчитывают эффективную мощность, крутящий момент, часовой и удельный расходы топлива, часовой расход воздуха и коэффициент избытка воздуха. Результаты опытов и расчетов записывают в протокол испытаний.
Во втором опыте, постепенно уменьшая нагрузку тормоза, увеличивают частоту вращения коленчатого вала двигателя примерно на 100--150 об/мин по сравнению с той, какая была при первом опыте.
Через 3--5 мин после того, как установится устойчивый заданный скоростной режим, измеряют, подсчитывают и записывают в протокол испытаний те же самые величины, что и в первом опыте.
Третий и последующие опыты выполняют аналогичным образом, уменьшая нагрузку тормоза и увеличивая тем самым частоту вращения коленчатого вала двигателя, каждый раз примерно на одинаковую, величину.
Всего должно быть снято не менее 7--8, как правило, равномерно расположенных опытных точек. В зоне максимальных значений эффективной мощности интервалы частоты вращения между опытными точками рекомендуется несколько уменьшать.
В последнем опыте двигатель работает с наименьшей нагрузкой, а частота вращения коленчатого вала на 100--200 об/мин больше номинальной. По оконча нии последнего опыта постепенно повышают нагрузку тормоза и ведут испытания в обратном порядке (до минимально устойчивой частоты вращения).
3. Анализ скоростной характеристики дизельного двигателя (рис.2) показывает, что при работе с перегрузкой в зоне корректорной ветви характеристики кривые среднего эффективного давления и соответственно крутящего момента по мере уменьшения частоты вращения коленчатого вала двигателя имеют пологий вид. Это объясняется главным образом тем, что с понижением частоты вращения при возрастании нагрузки происходит уменьшение подачи топлива на цикл и некоторое увеличение коэффициента наполнения.
Рис. 2 Скоростная характеристика дизельного двигателя.
Коэффициент наполнения оказывает существенное влияние на мощностные и экономические показатели
Он зависит от скоростного режима, конструкции распределительных органов и сопротивления впускного тракта, теплового режима и нагрузки двигателя. Основным фактором, влияющим на коэффициент наполнения, является скоростной режим двигателя.
Колебания нагрузки или теплового режима оказывают незначительное влияние на часовой расход воздуха (изменяют его на 2--3%).
С целью улучшения наполнения цилиндров воздухом у быстроходных дизелей без турбонаддува рекомендуют внедрять следующие мероприятия:
а) увеличение угла перекрытия клапанов за счет увеличения углов опережения открытия впускного клапана и запаздывания закрытия выпускного клапана;
б) повышение «времени-сечения» впускных клапанов в результате увеличения диаметра и подъема клапанов;
в) использование резонансных колебаний воздушного потока в системе впускного тракта за счет подбора сечений и длины воздухопроводов.
Рассмотрим, какие факторы оказывают влияние на среднее эффективное давление.
Среднее эффективное давление можно определить следующим образом.
Поскольку цикловая подача (г/цикл) топлива
То количество тепла, превращенного в индикаторную работу за цикл (ккал/цикл), выразится так:
10-3·qц·Qн·зi,
где GТ - часовой расход топлива, кг/ч;
n - частота вращения коленчатого вала, об/мин;
i - число цилиндров;
Qн - рабочая теплотворная способность топлива, ккал/кг;
зi - индикаторный КПД.
Тогда индикаторная работа за цикл (кг·м/цикл)
Wi = рi ·104·Vh·10-3 = 427·10-3·qц·Qн·зi,
где рi - среднее индикаторное давление, кг/см2;
Vh - рабочий объём одного цилиндра, л.
Из этого равенства среднее индикаторное давление (кг/см2 или МН/м2):
Среднее эффективное давление (кг/см2 или МН/м2)
Обозначив произведение всех постоянных параметров как Сg получим:
ре = Сg·qц·зi·зм
Анализ этого выражения показывает, что давление ре зависит не только от цикловой подачи топлива, но и от индикаторного и механического коэффициентов полезного действия. С ростом нагрузки при уменьшении частоты* вращения коленчатого вала индикаторный к. п. д. несколько понижается. Объясняется это увеличением продолжительности цикла, некоторым ухудшением процесса смесеобразования и увеличением тепловых потерь в охлаждающую среду в течение цикла.
Механический КПД по мере понижения частоты вращения коленчатого вала несколько возрастает, что следует из выражения
где NT -- мощность механических потерь (изменяется пропорционально квадрату частоты вращения коленчатого вала).
При снижении частоты вращения коленчатого вала коэффициент наполнения увеличивается и вместе с этим в связи с уменьшением цикловой подачи топлива повышается коэффициент избытка воздуха.
Все эти факторы (особенно снижение цикловой подачи топлива) приводят к тому, что с уменьшением частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя с перегрузкой среднее эффективное давление и крутящий момент почти не возрастают, а на малых частотах вращения даже несколько понижаются. Это обстоятельство в сравнении с карбюраторными двигателями является существенным недостатком дизелей, ухудшающим их динамические качества.
Топливные насосы всех тракторных дизелей оборудованы корректорами подачи топлива, работающими совместно с регуляторами. Корректоры частично устраняют отмеченный недостаток и при снятии скоростной характеристики в случае незакрепленной рейки увеличивают цикловую подачу топлива за счет дополнительного перемещения рейки насоса, Несколько повышают среднее эффективное давление и соответственно крутящий момент. Вместе с тем увеличивается значение коэффициента приспособляемости, и улучшаются динамические качества двигателя.