Многопараметровая характеристика двигателя

Многопараметровая характеристика двигателя (рис. 15.27) представляет собой прямоугольную сетку, построенную на осях прямоугольной системы координат, где на оси абсцисс отложена частота вращения коленчатого вала п, а по оси ординат — среднее эффективное давление ре рабочего тела. На этой сетке нанесено семейство кривых при различных значениях удельного эффективного расхода топлива де. Эти значения максимальны внутри семейства, а по мере удаления — возрастают. Здесь же нанесена система гипербол — кривых постоянной мощности Ne = idem. Значения Ne макси­мальны в правом верхнем углу диаграммы, минимальны — в нижнем углу.

Для построения многопараметровой характеристики необходимо иметь набор нагрузочных характеристик, снятых при различной частоте враще­ния коленчатого вала. На заранее приготовленную координатную сетку, охватывающую максимальные и минимальные пределы значений п и ре, наносят точки, соответствующие заранее выбранным значениям удельного эффективного расхода топлива де. Первая точка соответствует наимень­шему значению ре> полученному при снятии исходных нагрузочных харак­теристик. Ее наносят на пересечении координат и и рв, соответствующих этому расходу. Рядом с точкой указывают численное значение удельного эффективного расхода топлива.

В дальнейшем наносят точки, соответствующие последующим значени­ям де, которые следует выражать целыми числами с координатами и и ре. При этом из каждой нагрузочной характеристики для каждого значения Де до какого-то предела будут использованы по две точки, а затем по одной. Соединяя точки, соответствующие намеченным расходам топлива получают семейство кривых, из которых внутренние будут замкнутыми, а последующие разомкнутыми.

Для нанесения на многопараметровую характеристику кривых Ne = Idem задаются определенными округленными до 20, 10 или 5 киловатт (в зависимости от максимальной мощности и желаемой точности) значе­ниями эффективной мощности. Затем на основании зависимости (15.138) вычисляют значения ре, соответствующие выбранным значениям Ne. На пересечении линий п и ре наносят соответствующие точки. Соединив точки, относящиеся к одним и тем же значениям мощности, получим систему гипербол — кривых постоянных мощностей.

Многопараметровые характеристики двигателей можно использовать при выборе оптимальных передаточных чисел трансмиссии с соблюдением условия работы двигателя на различных режимах с наивысшей экономич­ностью. Особенно полезна такая характеристика при выборе закона из­менения передаточного отношения, а также при автоматическом управле­нии передачами ступенчатой коробки передач. Правильный выбор закона

Рис. 15.27. Многопараметровая характеристика двигателя

Изменения передаточного числа с изменением нагрузки может обеспечить повышение экономичности транспортной машины на 12… 20%.

Иногда по оси ординат вместо среднего эффективного давления ре откладывают значения крутящего момента Ме двигателя. В этом случае теряется представление о качественной стороне эффективных показателей и возможность объективного сопоставления показателей различных двига­телей.

Построение внешней скоростной характеристики двигателя по эмпирическим зависимостям

Если провести экспериментальные исследования целого ряда четырех­тактных дизельных и бензиновых двигателей и построить их внешние скоростные характеристики, то можно выявить общую закономерность их изменения. Этот факт позволяет путем статистической обработки резуль­татов экспериментальных исследований получить эмпирические зависимо­сти для расчета внешней скоростной характеристики любого двигателя по известным номинальным значениям его параметров.

Эти эмпирические зависимости незначительно отличаются для дизель­ных и бензиновых двигателей.

Если известна номинальная (максимальная) мощность двигателя NeH Четырехтактного бензинового двигателя и соответствующая ей частота вращения коленчатого вала пн, то для определения мощности на других скоростных режимах можно использовать следующую зависимость:

Где п — задаваемая частота вращения коленчатого вала двигателя.

Значения коэффициента пропорциональности к приведены ниже в таб­лице.

П Пн	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0	1.1
К	0.232	0.363	0.496	0.625	0.744	0.847	0.928	0.81	1.0	0.98

Далее по формуле (15.148) можно определить крутящий момент двига­теля при различных оборотах коленчатого вала:

= (15.155)

7Г • П

Удельный эффективный расход топлива де на различных скоростных режимах определяют по эмпирической зависимости:

*=ML2-Ј+0-8(Ј)T (15-156)

По формуле (15.151) определяется часовой расход топлива двигателем:

= (15.157)

Т 1000 V ‘

Скоростные характеристики дизельных двигателей также можно по­строить по эмпирическим зависимостям. Вид этих эмпирических зависи­мостей для дизельных двигателей зависит от принятой схемы смесеобразо­вания, типа топливной аппаратуры и других факторов.

Эффективную мощность дизельного двигателя на различных скорост­ных режимах определяют по формуле:

N. = [. i + 6 (А)’ — с (A)*] = (15.158)

Значения коэффициентов а, 6, с, к для различных двигателей приведе­ны ниже:

	Двигатель с неразделенной	Двигатель	Двигатель
	Камерой сгорания	С предкамерой	С вихрекамерой
А	0.5	0.7	0.7
Ь	1.5	1.3	1.4
С	1.0	1.0	1.0
П/пя	К
0.2	0.152	0.184	0.168
0.3	0.258	0.3	0.279
0.4	0.376	0.424	0.4
0.5	0.5	0.55	0.525
0.6	0.624	0.672	0.646
0.7	0.742	0.784	0.763
0.8	0.848	0.88	0.864
0.9	0.936	0.954	0.945
1.0	1.0	1.0	1.0

Удельный эффективный расход топлива де на различных скоростных режимах работы дизельного двигателя определяется по формуле:

9е = 9еН [l.55 — 1.55 £ + . (15.159)

Значение крутящего момента Ме и часового расхода GT определяют соответственно по формулам (15.155) и (15.157).

Устройство и работа дизельного двигателя

На рис. 15.28, 15.29 и 15.30 показан транспортный дизельный двигатель В-84, применяемый в силовых установках специальных машин. Двигатель выполнен по V-образной схеме с углом развала блоков 60°. В каждом блоке установлено по 6 цилиндров (всего 12), представляющих собой расшири­тельные машины поршневого типа. Двигатель форсирован путем приме­нения наддува от приводного центробежного нагнетателя 10 (рис. 15.28). Каждый блок цилиндров закрывается крышкой (головкой) 1. Сверху на каждой головке блока цилиндров установлены крышки 2, закрывающие кулачковые валики механизма газораспределения. Для измерения частоты вращения коленчатого вала на верхней половине картера 0, являющейся

Рис. 15.29. Общий вид двигателя В-84 с передней стороны

Силовым остовом двигателя, установлен датчик тахометра 3. С помощью топливоподкачивающего насоса 4 топливо из бака подается к топливному насосу высокого давления, который впрыскивает его через форсунки в цилиндры двигателя в соответствии с порядком их работы. Снизу к верхней половине картера 6 крепится нижняя половина картера 7, которая служит одновременно маслосборником. Для подачи масла к трущимся деталям двигателя и откачки его из картера в бак на нижней половине картера уста­новлен масляный насос 5 (8; рис. 15.29), который имеет одну нагнетающую секцию и две откачивающие секции. По трубопроводу 8 масло от масляного насоса поступает к фильтру МАФ (фильтр грубой очистки), который устанавливается отдельно от двигателя. По трубопроводу 9 очищенное масло из фильтра МАФ поступает к крышке центрального подвода масла 7 (рис. 15.29).

Из крышки 7 (рис. 15.29) масло поступает внутрь коленчатого вала двигателя, выходя по сверлениям к подшипникам (коренным и шатунным). От крышки центрального подвода 7 масло также поступает на смазку:

• валиков механизма газораспределения;

• привода нагнетателя;

• привода топливного насоса высокого давления НК-12М.

С помощью водяного насоса 6 (рис. 15.29) охлаждающая жидкость че­рез трубопроводы 5 поступает в рубашки охлаждения цилиндров правого и левого блоков. Через патрубок 8 (рис. 15.30) охлаждающая жидкость
отводится из правой и левой головки двигателя в радиаторы, в которых она охлаждается и снова поступает к водяному насосу 6 (рис. 15.29). Для тонкой очистки топлива от механических примесей в развале блоков цилиндров двигателя установлен топливный фильтр тонкой очистки 1.

Так как между кольцами поршней и стенками гильз цилиндров имеется, пусть и очень маленький, зазор, то через него в картер двигателя прорыва­ются газы. Если их не удалить из картера, то произойдет разрушение тру­бопроводов, соединенных с ним. С этой целью картер двигателя соединяют с окружающей средой через специальную систему вентиляции картера. При работе двигателя газы вместе со взвешенными частичками масла из картера по трубопроводам 3 (рис. 15.29) вытесняются в маслоотделитель 2. В маслоотделителе 2 происходит отделение масла от картерных газов. По специальному трубопроводу масло из маслоотделителя 2 стекает к откачивающему масляному насосу 9 системы вентиляции картера.

С помощью воздухораспределителя 4 осуществляется подача сжатого воздуха из баллонов в цилиндры двигателя в процессе его пуска сжатым воздухом. Воздухораспределитель 4 обеспечивает подачу сжатого воздуха в цилиндры, в которых поршень находится в ВМТ. Под действием си­лы давления воздуха поршни перемещаются, вращая коленчатый вал 4 (рис. 15.30) двигателя. Когда частота вращения коленчатого вала будет до­статочной, в цилиндры подается топливо, которое от сжатия воспламеняет­ся и двигатель начинает самостоятельно работать. Подача сжатого воздуха из баллонов через воздухораспределитель 4 (рис. 15.29) прекращается.

/

Рис. 15.30. Общий вид двигателя В-84 с задней стороны

При работе двигателя воздух под давлением 0.17 МПа, создаваемым нагнетателем 1 (рис. 15.30), поступает в цилиндры. Так как воздух сжат, то в том же объеме цилиндра его находится больше (по массе). Это позволяет подать в цилиндры двигателя больше топлива. Чем больше
топлива сгорает в цилиндрах двигателя, тем больше выделяется тепловой энергии. Мощность двигателя возрастает.

Нагнетатель 1 соединяется с воздухоочистителем, который препятству­ет поступлению в цилиндры двигателя неочищенного воздуха. В противном случае это приведет к интенсивному износу подвижных деталей двигателя.

Часть масла (примерно 30%) от откачивающих секций масляного насоса 8 (рис. 15.29) поступает в центробежный фильтр тонкой очистки МЦ-1. Из фильтра МЦ-1 масло сливается обратно в картер 7 (рис. 15.28) через патрубок 5 (рис. 15.30).

По трубопроводам 2 и 7 (рис. 15.30) нагретая жидкость, выходящая из головок блоков цилиндров, поступает в обогреваемые полости верхней половины картера б (рис. 15.28). По трубопроводам 3 и б (рис. 15.30) охлаждающая жидкость из верхней половины картера 6 (рис. 15.28) по­ступает в обогреваемые полости нижней половины картера 7 (рис. 15.28). Благодаря равномерному обогреву картера обеспечивается подогрев масла и исключается взаимное смещение базовых поверхностей, которое может привести к выходу двигателя из строя.

Коленчатый вал 4 (рис. 15.30) через специальную муфту соединяется с трансмиссией машины.

Внешняя скоростная характеристика двигателя показана на рис. 15.31.

Графическое изображение изменения мощности, крутящего момента, часового и удельного расхода топлива в зависимости от числа оборотов коленчатого вала при максимальной (полной) подаче топлива называется Внешней скоростной характеристикой.

Характеристика называется внешней потому, что кривые изменения мощности и крутящего момента двигателя, полученные при полной подаче топлива, расположены выше, чем все остальные, снятые при промежуточ­ных положениях рычагов (педали) подачи топлива.

Максимальная мощность двигателя равна 618 кВт (840 л. с.) при частоте вращения коленчатого вала, равной 2000 мин’1.

1300 1500 1700 !900п, мин* 1300 1500 1700 1900 G^ Кг/ч Gj Г/(кВт-ч)

1300 1500 1700 1900 И, мин* 1300 1500 1700 1900 Рис. 15.31. Внешняя скоростная характеристика двигателя В-84

Рабочий процесс четырехтактного двигателя происходит за два полных оборота коленчатого вала и делится на четыре такта:

• впуск;

• сжатие;

• расширение (рабочий ход);

• выпуск.

Такт впуска

При вращении коленчатого вала поршень, перемещаясь в цилиндре вниз от ВМТ к НМТ, увеличивает объем и создает разрежение в цилиндре. В это время клапаны впуска открыты и в цилиндры поступает воздух. Давление воздуха из-за сопротивлений, главным образом в воздухоочистителе и клапанах впуска уменьшается, особенно при больших оборотах коленча­того вала. Приводной центробежный нагнетатель двигателя не только восполняет уменьшение давления из-за сопротивлений впускной системы, но и создает избыточное давление воздуха сверх атмосферного во всем диапазоне рабочих оборотов коленчатого вала. У двигателя избыточное давление воздуха составляет не менее 100.9 кПа (1.03 кгс/см2).

Для лучшего наполнения цилиндра клапаны впуска открываются за 35° до прихода поршня в ВМТ и закрываются с некоторым запаздыванием, после прохождения поршнем НМТ, т. е. в начале такта сжатия (33° после НМТ).

Такт сжатия

В такте сжатия поршень при закрытых клапанах впуска и выпуска движет­ся от НМТ к ВМТ, и воздух в цилиндре сжимается. Степень сжатия у дви­гателя составляет 14. Высокая степень сжатия необходима для получения высокого давления и высокой температуры воздуха в цилиндре, обеспечи­вающих самовоспламенение впрыскиваемого топлива. Давление воздуха в цилиндре достигает порядка 5.67 МПа (58 кгс/см2), и температура к концу сжатия достигает 790°С.

В конце такта, когда поршень еще не дойдет до ВМТ на 33° ± 0.5° по углу поворота коленчатого вала, в цилиндр впрыскивается топливо.

Топливо, поданное в камеру сгорания в распыленном виде, благода­ря высокой температуре сжатого воздуха быстро нагревается и самовос­пламеняется. Давление газов в цилиндре резко повышается до 9.9 МПа (107 кгс/см2), а температура их достигает 1780°С.

Такт расширения (рабочий ход)

В результате расширения газов и давления их на поршень последний дви­жется от ВМТ к НМТ и, воздействуя через шатун и кривошип, приводит во вращение коленчатый вал. При движении поршня к НМТ объем газов увеличивается, а их давление и температура снижаются. При подходе поршня к НМТ открываются клапаны впуска.

Давление газов снижается до 0.498 МПа (5.08 кгс/см2), а температура до 1030°С.

Такт выпуска

Поршень движется от НМТ к ВМТ, через открытые клапаны выпуска происходит удаление продуктов сгорания. Давление в цилиндре умень­шается, превышая давление в выпускном трубопроводе к концу хода на 4.9-14.7 кПа (0.05-0.15 кгс/см2).

Для ускорения выпуска газов из цилиндра на такте выпуска и быстрей­шего снижения давления газов, действующих на поршень при движении его от НМТ до ВМТ, клапаны выпуска открываются с опережением 60° до НМТ в такте расширения.

Для улучшения очистки цилиндра от отработавших газов клапаны выпуска закрываются после ВМТ 40° ± 3° на такте впуска.

В конце такта выпуска и в начале такта впуска одновременно находятся в открытом состоянии клапаны впуска и выпуска. Этот период называется перекрытием клапанов. На двигателе В-84 перекрытие клапанов составля­ет 75° по углу поворота коленчатого вала.

В этот период, вследствие наличия избыточного давления в коллекторе впуска, происходит продувка воздухом камеры сгорания. В результате продувки улучшается очистка цилиндра от отработавших газов и про­исходит охлаждение воздухом клапанов, поршня, корпуса распылителя форсунки, что повышает надежность работы этих деталей и увеличивает коэффициент наполнения цилиндров воздухом.

Принудительное заполнение цилиндров воздухом, т. е. увеличение его плотности во всасывающем коллекторе за счет комбинированного наддува, увеличение порции впрыскиваемого топлива (цикловой подачи), позволило значительно увеличить мощность двигателя В-84 по сравнению с ранее выпускавшимися двигателями типа В-2 (без наддува).

Поршневые двигатели широко применялись в период становления вин­товой авиации. Такие двигатели использовались в качестве основной энер­гетической установки, приводящей во вращательное движение винт само­лета.

Одним из основных требований, предъявляемых к самолету, была ско­рость (особенно это касалось военной авиации). Для увеличения скорости самолета требовалось с помощью винта отбрасывать назад большие массы воздуха в единицу времени, что потребовало увеличения мощности дви­гателя и частоты вращения винта. Авиация стремилась стать высотной. Чем выше высота полета самолета, тем меньшее сопротивление оказывает ему воздух, а поэтому при прочих равных условиях самолет может лететь с большей скоростью. Однако с увеличением высоты полета уменьшается плотность воздуха. На высоте 5 километров плотность воздуха почти в 2 раза меньше, чем у поверхности Земли. Чем меньше плотность воздуха, тем меньше его по массе поступает в цилиндры двигателя. Если двигатель бензиновый, то в его цилиндры поступит почти в два раза меньше горючей смеси. В дизельном двигателе, в цилиндры которого сначала поступает только воздух, происходит аналогичное явление. Следовательно, в цилин­драх двигателя будет сгорать меньше топлива. Мощность двигателя при подъеме самолета будет падать, что недопустимо.

Решить проблему частично удалось путем применения наддува ди­зельных двигателей. С увеличением высоты полета самолета благодаря компрессору (агрегату для наддува двигателя) почти удавалось сохранить подачу в цилиндры двигателя необходимого количества воздуха. Мощность двигателя не уменьшалась.

Однако по мере роста скорости самолета интенсивно увеличивается сопротивление воздуха его полету:

^сопр = <F>PS — у, (15.160)

Где Fconp — сила лобового сопротивления воздуха самолету; ф — безразмер­ный коэффициент лобового сопротивления; 5 —наибольшая поперечная площадь сечения самолета; V — скорость полета самолета.

Лобовое сопротивление прямо пропорционально плотности воздуха и скорости полета самолета в квадрате. Это означает, что, несмотря на уменьшение сопротивления самолету из-за уменьшения с высотой плот­ности воздуха, это же сопротивление увеличивалось в квадрате из-за увеличения скорости полета. Возрастающие сопротивления полету само­лета должен преодолевать двигатель. Следовательно, чем больше скорость полета винтового самолета, тем большую мощность должен иметь порш­невой двигатель, приводящий во вращение винт, создающий тягу путем отброса назад большой массы воздуха в единицу времени. Но мощность поршневого двигателя практически не изменяется. Необходимы были более мощные поршневые двигатели. Это можно было сделать только путем увеличения числа цилиндров, что однозначно приводило к увеличению габаритов двигателя. Такой путь был неприемлемым, так как из-за ро­ста габаритов двигателя увеличивалось аэродинамическое сопротивление полету самолета.

Таким образом, поршневой двигатель не мог решить проблему интен­сивного роста скоростей полета самолетов. Необходим был новый тип двигателя, способного обеспечить высокие скорости полета в авиации. Поэтому следующим этапом развития авиационного двигателестроения стала разработка и применение газотурбинных двигателей, которые до сих пор широко применяются в самолетах и вертолетах.