Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания
Подождите немного. Документ загружается.
448
типах энергетических установок с различным характером нагру-
жения. В зависимости от особенностей изменения режимов рабо-
ты эксплуатационные характеристики можно разделить на нагру-
зочные, регуляторные, скоростные, винтовые, генераторные.
Схематично условия нагружения можно представить кривыми
изменения мощности или крутящего момента в зависимости от
частоты вращения коленчатого вала (рис. 13.4).
При работе двигателя на привод генератора, компрессора,
насоса и т.п. частота вращения коленчатого вала поддерживается
постоянной. Изменение параметров и показателей рабочих про-
цессов определяется внешней нагрузкой (рис. 13.5). С увеличени-
ем внешней нагрузки возрастает часовой расход топлива В
ч
, но
удельный эффективный расход топлива g
е
снижается, что обу-
словлено, в основном, увеличением механического КПД.
Характер изменения коэффициента наполнения
V
и коэф-
фициента избытка воздуха в зависимости от внешней нагрузки
определяется способом регулирования мощности. В карбюра-
торном двигателе (количественное регулирование мощности)
количество смеси, поступающей в цилиндр, определяется поло-
жением дроссельной заслонки. С увеличением открытия дрос-
сельной заслонки разрежение за дроссельной заслонкой р
др
уменьшается, возрастает коэффициент наполнения, количество
топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндр. Состав сме-
си, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха , изменя-
ется незначительно (рис. 13.5, а). В дизеле (качественное регули-
N
е
N
е н
А
C
D
F
n
н
В
Е
n
Рисунок 13.4 – Эксплуатационные
характеристики:
точка А – режим номинальной мощ-
ности (N
е
= N
е н
; n = n
н
);
АВ
– нагрузочная характеристика;
АС
– внешняя скоростная
характеристика;
А
D – винтовая характеристика;
АЕ
– регуляторная характеристика;
А
F – генераторная характеристика
449
рование мощности) количество воздуха, поступающего в ци-
линдр, а соответственно, и коэффициент наполнения изменя-
ются незначительно. Количество топлива, поступающего в дви-
гатель практически пропорционально нагрузке. Коэффициент
избытка воздуха с увеличением нагрузки снижается от 9 – на
режиме холостого хода, до 1,3 – при максимальной нагрузке
(рис. 13.5, б).
Транспортный двигатель (например, автомобильный) рабо-
тает на режимах скоростных характеристик (положение органа
управления подачей топлива или топливовоздушной смеси неиз-
менно). Частота вращения коленчатого вала определяется при
этом внешней нагрузкой – затратами мощности на трение в
трансмиссии (5–10 %), на сопротивление перекатыванию колес
(20–60 %), на преодоление сопротивления воздуха (15–65 %). Ве-
личина затрат мощности, структура их распределения, резерв
мощности двигателя N
р
зависят от скорости движения транс-
портного средства и подъема дороги (рис. 13.6). Чем больше
Рисунок 13.5 – Нагрузочные характеристики:
а – карбюраторный двигатель М412: zV
h
= 1,5 л; = 8,5;
б – дизель ЯМЗ-238: zV
h
= 14,9 л; = 16,5
n = 2500 мин
–
1
n = 1600 мин
–
1
р
е
, МПа
N
е
, кВт
g
е
,
чкВткг
g
е
,
чкВткг
В
ч
,
кг/ч
v
v
0,6
0,8
0,8
1,0
0,26
0,42
16
24
8
8
4
В
ч
,
кг/ч
1
2
3
0,22
0,27
0,8
0,7
0,2
0,4 0,6
30
50
р
др
,
кПа
i
,
е
0,2
0,4
15
20
25
р
др
v
В
ч
g
е
v
В
ч
е
g
е
i
а
б
450
подъем, тем меньше запас мощности, тем меньше максимально
возможная скорость движения автомобиля.
Максимальной скорости движения автомобиля на ровной
дороге с твердым покрытием соответствует максимальная (номи-
нальная) мощность двигателя (точка А). Если орган управления
подачей топлива или топливовоздушной смеси находится в
промежуточном положении (между положениями, соответст-
вующими режиму холостого хода и режиму максимальной мощ-
ности), то такие характеристики называются частичными ско-
ростными, а если орган управления подачей топлива или топли-
вовоздушной смеси находится в положении, соответствующем
максимальной мощности, то такие характеристики называются
внешними скоростными (рис. 13.7).
Крутящий момент на валу двигателя на режимах внешней
скоростной характеристики в Нм
м0
0
н
3
нц
2
1
10
2
1
i
hее
Vz
М
Q
zQВМ
V
, (13.1)
где М
0
– теоретически необходимое количество воздуха для сго-
рания 1 кг топлива; – коэффициент тактности (для четырех-
тактных двигателей = 2, для двухтактных двигателей = 1);
В
ц
– цикловая подача, кг/цикл; Q
н
– низшая теплота сгорания
топлива (кДж/кг); z – число цилиндров; V
h
– рабочий объем ци-
Рисунок 13.6 – Структура затрат мощности
автомобильного двигателя:
точка А – режим номинальной мощности;
АС
– внешняя скоростная характеристика;
N
тр
– потери мощности в трансмиссии;
N
f
– затраты мощности на сопротивление
перекатыванию колес;
N
аэ
– затраты мощности на аэродинамичес-
кое сопротивление;
N
р
– резерв мощности;
– подъем (отношение высоты подъема к
пройденому пути в %)
N
e
= 15 %
= 0 %
А
N
р
N
аэ
С
N
f
N
тр
n
хх
n
н
n, мин
–
1
0
V
max
V, км/ч
451
линдра (л);
0
– плотность атмосферного воздуха (кг/м
3
);
V
–
коэффициент наполнения;
і
– индикаторный КПД; – коэффи-
циент избытка воздуха;
м
– механический КПД.
Таким образом, изменение крутящего момента двигателя на
режимах внешней скоростной характеристики при прочих рав-
ных условиях зависит от частоты вращения коленчатого вала, ко-
эффициента наполнения, отношения индикаторного КПД к ко-
эффициенту избытка воздуха, характеризующего степень совер-
шенства рабочих процессов на конкретном режиме, механическо-
го КПД. За исходный режим на внешней скоростной характерис-
тике принимается режим номинальной мощности (точка А на
рис. 13.7). С понижением частоты вращения коленчатого вала
крутящий момент М
е
на валу двигателя на режимах внешней ско-
ростной характеристики возрастает вследствие увеличения коэф-
фициента наполнения
V
, отношения
i
и механического КПД.
В автомобильных дизелях увеличение крутящего момента по от-
ношению к моменту на режиме максимальной мощности состав-
ляет 10–15 %, в карбюраторных двигателях – 15–25 %.
Рисунок 13.7 – Внешни
е скоростные характеристики автомобильных
двигателей:
а – дизель ЯМЗ-238; б – карбюраторный двигатель ВАЗ-2103;
точка А – режим номинальной мощности;
точка В – режим максимального крутящего момента
v
v
v
v
0,6
0,8
0,8
0,7
N
e
,
кВт
N
e
,
кВт
g
e
,
чкВткг
g
e
,
чкВткг
0,21
0,23
0,31
0,35
10
30
90
120
0,9
1,0
1,5
2,5
M
e
, Нм
M
e
, Нм
1000
800
110
90
10
15
5
35
30
В
ч
, кг/ч
В
ч
, кг/ч
n, мин
–
1
n, мин
–
1
1400
1800
2500
4500
а
N
e
N
e
М
e
М
e
В
ч
В
ч
g
e
g
e
А
А
А
А
В
В
б
452
Отношение максимального крутящего момента на режи-
мах внешней скоростной характеристики (точка В) к крутяще-
му моменту на режиме номинальной мощности (точка А) назы-
вается коэффициентом приспособляемости,
н
max
е
е
М
М
к . (13.2)
В автомобильных дизелях к = 1,05–1,15, в двигателях с искровым
зажиганием к = 1,15–1,25. Чем выше коэффициент приспособ-
ляемости, тем больший подъем может преодолевать транспорт-
ное средство без переключения передачи, тем легче его управле-
ние.
Изменение эффективной мощности на режимах внешней
скоростной характеристики определяется крутящим моментом и
частотой вращения коленчатого вала.
При работе двигателя на генератор нагрузка на двигатель
зависит от силы взаимодействия магнитных полей якоря и стато-
ра (от электрической нагрузки на генератор). Предельное значе-
ние мощности, которая требуется для вращения вала генератора,
примерно пропорционально частоте вращения вала:
N
e
= к
г
n, (13.3)
где к
г
– коэффициент пропорциональности, значения которого
зависят от электромагнитных характеристик генератора.
При работе двигателя на винт изменение нагрузки на двига-
тель зависит от мощности, которая требуется для вращения винта
при определенной частоте вращения,
3
в
nкN
e
, (13.4)
где к
в
– коэффициент пропорциональности, значения которого
зависят от шага винта Н
в
, его диаметра D
в
и плотности среды, в
которой работает винт (воздух, вода), т.е.
,
в
вв
DHfк . Для
более полного использования мощности двигателя при различ-
ных частотах вращения винта используются винты с регулируе-
мым шагом.
453
§4. Специальные характеристики
Специальные характеристики строят по данным стендовых
испытаний двигателя или по данным регистрации параметров и
показателей двигателя в реальных условиях эксплуатации конк-
ретной машины с
целью оценки опре-
деленных качеств
или показателей дви-
гателя (например,
эксплуатационной
экономичности, оп-
ределяющей по вре-
мени частоты вра-
щения коленчатого
вала и т.п.). Приме-
рами специальных
характеристик могут
быть различные мно-
гопараметровые ха-
рактеристики (рис.
13.8, 13.9, 13.10), из-
менение параметров
и показателей рабо-
ты комбинированно-
го двигателя с сило-
вой газовой турби-
ной в зависимости от
давления газов перед
турбиной (рис. 12.5,
рис. 13.11).
Многопараметровая характеристика двигателя в конкретных
условиях работы автомобиля, трактора позволяет определить не
только среднеэксплуатационный удельный эффективный расход
топлива
i
ni
i
ieiie
ni
i
ieе
NgNg
11
э
, (13.5)
Рисунок 13.8 – Распределение режимов работы
дизеля ЯМЗ-238 в % по времени на
автопоезде КрАЗ-257 за пределами
пригородной зоны:
масса поезда – 37,5 т; дорога с твердым
покрытием; местность слабохолмистая;
n
н
= 2100 об/мин; N
ен
= 176 кВт
0,95
g
e
н
3,40
1,1g
eн
14,48
13,77
27,32
0,07
0,24
4,61
7,98
0,94р
zн
0,
42
0
,56
1,
0
7
0,38
1,34
0,03
0,0
2
0,0
5
0,
26
0,
31
0,03
0
0,0
7
0,0
6
0,
27
6
0,0
2
0,0
2
0,
10
0,
11
0,
59
6
0,0
5
0,0
1
0,
39
6
0,0
7
1
,
53
6
0,0
4
0,
12
0,
39
1
,
61
6
6,14
0,0
4
0,0
8
0
,21
0,
30
0,
42
2
,
63
0,0
1
0,0
4
0,
37
0,
27
0,
40
1
,
49
6
0
0,0
8
0
,26
0,
60
0,
97
1,00
1,83
0,
93
0
-
0,2
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
н
е
е
р
р
А
n/n
н
0,15
1,39g
eн
g
e
=
0,92g
eн
0,4
0,6
0,8
1,0
454
определяющую частоту вращения коленчатого вала, но и уровень
доводки рабочих процессов в зоне основных эксплуатационных
режимов работы двигателя, степень согласованности характерис-
тик двигателя с характеристиками трансмиссии и движителя ма-
шины (рис. 13.8, 13.9) [1]. При использовании дизеля ЯМЗ-238
как на автопоезде (рис. 13.8), так и на тракторе (рис. 13.9) в зоне
режимов работы, соответствующих минимальным значениям
удельных эффективных расходов топлива, дизель практически не
работает. Для совмещения зоны режимов работы дизеля, соответ-
ствующих минималь-
ным удельным эф-
фективным расходам
топлива, с основной
зоной эксплуатацион-
ных режимов работы
дизеля необходимо не
только совершенство-
вание рабочих про-
цессов дизеля на ре-
жимах, близких к ре-
жиму номинальной
мощности, но и суще-
ственная корректи-
ровка характеристик
трансмиссии и дви-
жителя (количества
передач и шага пере-
дач коробки переме-
ны передач в случае
механической короб-
ки передач, переда-
точного числа глав-
ной передачи, радиуса
ведущих колес и т.д.).
Многопарамет-
ровые характеристики
двигателя по выбро-
сам токсичных ве-
n/n
н
не
е
N
N
g
e
=
160
г/(кВтч)
g
e
=
155
г/(кВт
ч
)
р
z
=
8
,0
МПа
р
z
=
7,5
МПа
1,18
0,04
3,45
4,5
2,92
0,05
0,03
0,03
0,07
0
0
0
0
0,03
0,06
0,12
0,44
0,04
0,05
0,38
0,34
0,7
0,02
0,23
0,38
0,23
0,22
0,01
0,09
0,05
0,01
0,09
0,01
0,03
0,02
0
0,25
0
0,02
0
0,01
9,95
0
0
0,02
26,8
0,03
43,3
0,01
0,03
2,79
0,4
0,6
0,8
1,0
-
0,4
-
0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
А
Рисунок 13.9 – Распределение режимов работы
дизеля ЯМЗ-238НБ в % по времени
на тракторе К-700А на пахоте:
фон – стерня; n
н
= 1700 об/мин; N
ен
= 147 кВт
455
ществ с отработавшими газами (рис. 13.10) позволяют установить
режимы с повышенными выбросами отдельных токсичных ком-
понентов, оценить уровень доводки рабочих процессов на этих
режимах и примерный уровень выбросов токсичных компонентов
с отработавшими газами в г/(кВтч) или г/км на различных скоро-
стных режимах движения транспортного средства или для усло-
вий ездовых циклов. Для данной комплектации и регулировки
двигателя повышенные выбросы оксида углерода СО, углеводо-
родов C
n
H
m
имеют место на режимах повышенных нагрузок и в
зоне режимов холостого хода, оксидов азота – в зоне повышен-
ных нагрузок и частот вращения коленчатого вала. Снижение вы-
бросов токсичных веществ с отработавшими газами в данном
двигателе до уровня регламентируемых требований ездовых цик-
лов возможно только при использовании вместо карбюратора
электронных систем впрыска и регулирования с обратной связью
по датчику содержания кислорода в отработавших газах.
Характеристика комбинированного двигателя с силовой га-
зовой турбиной по давлению газов перед турбиной (рис. 13.11)
позволяет установить оптимальное значение давления газов
перед силовой турбиной по эффективному КПД установки (
еу
)
[2]. При отношении давления газов перед турбиной р
т
к дав-
лению воздуха за нагнетателем р
н
, равном примерно 0,75, мощ-
ность турбины N
турб
равна мощности на привод нагнетателя
N
н
(рис. 13.11). С увеличением давления газов перед турбиной
возрастает количество остаточных газов в надпоршневой по-
лости, потери индикаторной работы газов на удаление из
надпоршневой полости продуктов сгорания (увеличивается сред-
нее давление насосных потерь р
н.п
). Коэффициент наполнения
V
, отнесенный к условиям окружающей среды, снижается с
2,17 (на турбокомпрессорном режиме,
турб
=
н
) до 1,98 при
отношении
н
т
рр = 1,3. Индикаторный КПД
i
дизеля в ис-
следуемом диапазоне изменения отношения
н
т
рр
(
н
т
рр =
= 0,75 – 1,3) изменяется незначительно. Доля работы турбины
турб
в тепловом балансе силовой установки увеличивается с
8,3 % (на турбокомпрессорном режиме) до 14,7 % (от теплоты
топлива, поступившего в дизель) при отношении
н
т
рр =
= 1,3.
456
Рисунок 13.10 – Характеристики карбюраторного двигателя ВАЗ-2103
(z = 4; S/D = 80/76; = 8,5) по выбросам токсичных
веществ с отработавшими газами
3000
р
е
,
МПа
0,2
0,4
0,6
0,8
р
е
,
МПа
0,2
0,4
0,6
0,8
р
е
,
МПа
0,2
0,4
0,6
0,8
р
е
,
МПа
0,2
0,4
0,6
0,8
р
е
,
МПа
0,2
0,4
0,6
0,8
р
е
,
МПа
0,2
0,4
0,6
0,8
СО, %
СО, г/(кВт
ч)
С
n
H
m
, млн
–
1
С
n
H
m
, г/(кВт
ч)
NO
x
, млн
–
1
NO
x
, г/(кВт
ч)
2000
4000
n, мин
–
1
2000
4000
n, мин
–
1
2000
4000
n, мин
–
1
2000
4000
n, мин
–
1
2000
4000
n, мин
–
1
2000
4000
n, мин
–
1
2000
4000
5
000
1000
4
00
4
00
3
00
1,5
2
3
4,5
5
6
7
8
10
8
10
8
12
7
00
4
00
350
45
0
800
7
00
300
550
1
2
1,0
3,0
1,0
1,0
1,4
2,5
3,5
2,0
80
80
50
110
140
1
70
2
00
457
Избыточная доля работы турбины (
турб
–
н
) с увеличением дав-
ления газов перед турбиной не только компенсирует увеличение
доли работы насосных потерь (
н.п
), но позволяет заметно сни-
зить долю эффектив-
ной работы дизеля
ед
. При этом эффек-
тивный КПД уста-
новки
еу
возрастает
с 42,2 % до 45 %
(примерно на 6,6 %).
Оптимальному эф-
фективному КПД ус-
тановки соответст-
вуют отношения
н
т
рр 1,2–1,3.
При экспери-
ментальной доводке
рабочих процессов и
конструкции двига-
телей используются и
ряд других специаль-
ных характеристик
для оценки, напри-
мер, температурных
условий работы дета-
лей двигателя, мно-
гопараметровых ха-
рактеристик по углу
опережения зажига-
ния, углу опережения
подачи топлива и т.п.
Контрольные вопросы и задания
1. Объяснить понятия: режим работы, характеристика ДВС.
2. Представьте классификацию характеристик ДВС.
Рисунок 13.11 – Влияние давления газов перед
силовой турбиной на показатели
комбинированного двигателя Д70Б
(16ЧН24/27, N
еу
= 2206 кВт; n = 850 мин
–1
;
р
н
= 0,255 МПа; t
s
= 65С):
h
VкNр
турбтурб
;
60znк ;
h
VкNр
нн
;
р
еу
= р
ед
+ р
турб
– р
н
;
нчмдмд
3600 QВN ;
нчн.пн.п
3600 QВN ;
нчедед
3600 QВN ;
нчтурбтурб
3600 QВN ;
н
ч
н
н
3600 QВN ;
нчеуеу
3600 QВN
р
мд
,
р
н.п
,
МПа
0,2
0
р
турб
,
р
н
,
МПа
0,2
0,4
2,0
2,1
v
2,0
1,95
1,6
1,8
р
i
,
МПа
р
ед
,
МПа
1,6
1,4
р
еу
,
МПа
1,8
1,6
590
630
t
т
,
С
t
т
р
еу
р
н
р
турб
р
ед
р
н.п
р
мд
р
i
v
0
,
6
0
,
8
1
,
0
1
,
2
р
т
/р
н
р
т
/р
н
0
,
6
0
,
8
1
,
0
1
,
2
еу
,
%
41
4
3
4
5
ед
,
%
41
39
i
,
%
4
6
4
7
мд
,
%
4
6
н
,
турб
,
%
13
11
9
7
i
мд
н.п
ед
н
еу
турб
н.п
,
%
1
3