Скоростная характеристика представляет собой зависимость основных параметров двигателя (Ne, Me, GT, де) от частоты вращения коленчатого вала п при неизменной цикловой подаче топлива (дц = idem). Однако, в связи с конструктивным несовершенством топливных насосов дизельных двигателей при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя цикловая подача топлива, к сожалению, незначительно изменяется. Примерно такая же ситуация наблюдается и в бензиновых двигателях. При изменении скоростного режима работы бензинового двигателя изменяется наполнение его цилиндров горючей смесью даже при постоянном положении дроссельной заслонки карбюратора. Поэтому на практике требование постоянства цикловой подачи топлива при снятии скоростной характеристики двигателя не выполняется, в связи с чем скоростную характеристику двигателя снимают при постоянном положении органа управления подачи топлива (рычага или педали).
Скоростная характеристика двигателя может быть представлена как в табличной, так и в графической форме. Более наглядной, но менее точной, является графическая форма представления скоростной характеристики двигателя.
Скоростная характеристика снимается на специальном стенде, включающем двигатель и тормоз (нагрузочное устройство). Принципиальное назначение тормозного устройства состоит в создании нагрузки на коленчатом валу двигателя. С помощью тормоза к коленчатому валу прикладывается тормозной момент Мт, который фактически имитирует момент сопротивления Мсопр внешних сил, оказывающих сопротивление движению транспортного средства (автомобиля).
На носок коленчатого вала двигателя устанавливается рычаг специальной конструкции[72] (рис. 15.24). С помощью болтов можно регулировать величину силы трения, возникающей между рычагом и коленчатым валом двигателя. Чем сильнее рычаг прижимается к носку коленчатого вала, тем больше сила трения возникает между ними. Чем больше сила трения, возникающая между рычагом и носком коленчатого вала, тем больший тормозной момент МТ приложен к нему. Таким образом, по мере увеличения
|
Рис. 15.24. Схема стенда для испытаний ДВС |
Затяжки болтов будет увеличиваться тормозной момент Мх, приложенный к коленчатому валу двигателя.
Рассмотрим в упрощенном виде методику определения параметров двигателя с помощью тормозного стенда (рис. 15.24). Пусть в начале болты рычага отпущены таким образом, что между ним и носком коленчатого вала не возникает трение (нагрузка к коленчатому валу не приложена).
В начале рассмотрим методику снятия внешней скоростной характеристики двигателя. Установив кран забора топлива из бака, запустим двигатель. С помощью весов можно отмерять некоторую постоянную порцию (навеску) топлива Д<3Т, которую двигатель расходует в течение некоторого промежутка времени At. Время At измеряется с помощью секундомера. Для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя используется тахометр. С помощью динамометра определяют усилие Р, приложенное к рычагу. Так как длина L рычага известна, то можно определить момент, приложенный к рычагу со стороны динамометра, и предотвращающий вращение рычага при вращении коленчатого вала двигателя.
Для удобства проведения исследований предварительно составляют протокол, упрощенный вариант которого показан ниже:
|
Наименование параметра двигателя |
Частота вращения коленчатого вала двигателя п, мин-1 |
||||
|
ГЦ |
П2 |
ПЗ |
Л» |
||
|
Усилие на рычаге тормоза Р, Н |
Pi |
Р2 |
Рз |
Pi |
|
|
Навеска топлива Д GT, г |
А |
А |
А |
А |
А |
|
Время выработки навески топлива At, с |
Ati |
Л*2 |
Л*2 |
AU |
После пуска и прогрева двигателя переведем рычаг управления подачей топлива на максимальную подачу и зафиксируем его в этом положении. При снятии внешней скоростной характеристики положение этого рычага в дальнейшем не изменяют.
Проведем первый замер значений параметров двигателя для случая, когда болты рычага полностью отпущены. По тахометру определим частоту вращения коленчатого вала Пх, которая в данном случае будет равна максимально возможному значению (rix = шах). Максимальная частота вращения коленчатого вала обусловлена тем, что к нему не приложен тормозной момент (болты отпущены). В этом случае усилие на рычаге гидротормоза равно нулю (Pi = 0). После этого переведем кран на забор топлива двигателем из мерной колбы. По мере выработки топлива из колбы стрелка весов будет перемещаться в сторону меньших значений шкалы. Пусть в качестве навески топлива выбрано значение, равное AGT = А = 600 г. Когда стрелка весов подойдет к значению 800 г, включим секундомер, а когда она подойдет к значению 200, выключим секундомер. Показания секундомера указывают на время в течение которого двигателем было израсходовано А = 600 г топлива. Измеренные значения величин заносят в первую колонку протокола.
Переключим кран стенда на забор топлива двигателем из бака. При этом осуществим повторное наполнение мерной колбы топливом. После этого медленно затянем болты рычага с некоторым небольшим усилием. Между рычагом и носком коленчатого вала возникает трение. Со стороны двигателя к рычагу будет приложен момент, который стремится его повернуть. Повороту рычага препятствует пружина динамометра. Таким образом, с помощью рычага посредством трения к коленчатому валу двигателя будет приложен тормозной момент Мх, а поэтому динамометр покажет некоторое усилие Р2 ф 0. Так как положение рычага управления подачей топлива не изменяется, то из-за действия тормозного момента МТ частота вращения коленчатого вала уменьшится на некоторую величину Дп. С целью обеспечения равных интервалов измерения затягивать болты рычага будем таким образом, чтобы каждый раз частота вращения коленчатого вала двигателя уменьшалась на одну и ту же величину, например An = 100 мин""1. Следовательно, второй замер параметров двигателя осуществим при частоте вращения коленчатого вала, равной п2 = — An = щ — 100. Установим кран на забор топлива двигателем из мерной колбы и проведем измерения так же, как описанф выше. Все данные занесем во вторую колонку протока испытаний.
Снова затянем болты рычага таким образом, чтобы частота вращения коленчатого вала двигателя из-за увеличения момента сил трения уменьшилась на величину, равную Дп = 100 мин"1. Наполним мерную колбу топливом и снова проведем измерения. Полученные данные занесем в следующую колонку протокола испытаний. Проведя, таким образом, целый ряд измерений при увеличивающемся тормозном моменте Мт на коленчатом валу двигателя, получим значения параметров, которые занесем в протокол испытаний. Эти данные, полученные непосредственным замером с помощью средств измерения, называют результатами прямых измерений.
Следует отметить, что по мере увеличения тормозного момента Мт на коленчатом валу двигателя частота его вращения не уменьшается до нуля. Это обусловлено свойствами двигателя. При некоторой минимальной частоте вращения коленчатого вала щ = nmin ф 0 двигатель останавливается.
По результатам прямых измерений, полученных выше, определяют основные показатели двигателя —Afe, Ne, GT, де.
Динамометр, прикладывая к рычагу усилие Р, предотвращает его вращение двигателем. Со стороны динамометра к коленчатому валу двигателя приложен тормозной момент, равный:
Мт = Мсопр = Р • L, (15.144)
Где Р — усилие, приложенное к рычагу со стороны динамометра; L — длина рычага.
Для удобства длину рычага выбирают равной L = 0.955 м. Такой выбор длины рычага станет понятным в дальнейшем. Учитывая выбранную длину рычага, зависимость (15.144) можно представить в виде:
Мт = Мсоп р = 0.955 ■ Р [Н • м]. (15.145)
При установившемся вращении коленчатого вала (его частота вращения не изменяется) тормозной момент Мт всегда равен крутящему моменту двигателя Ме. Отсюда следует, что
Ме = Мт = 0.955 • Р. (15.146)
Подставляя в зависимость (15.146) усилие Р, получим ряд значений крутящего момента двигателя Мв, соответствующих определенным установившимся значениям частоты вращения коленчатого вала. Полученные данные занесем в первую строку приведены ниже:
|
Наименование параметра |
Частота вращения коленчатого вала двигателя п, мин-1 |
||||
|
ГЦ |
П2 |
Пз |
П» |
||
|
Крутящий момент двигателя Afe, Н • м Эффективная мощность двигателя Ne, кВт Часовой расход топлива GT, кг/ч Удельный эффективный расход топлива Де, г/(кВт • ч) |
Эффективная мощность двигателя Ne определяется по формуле:
Ne = Me.u, (15.147)
Где ш — угловая скорость коленчатого вала двигателя.
Подставляя соотношение (1.32) в выражение (15.147), получим:
Ne = Me (15.148)
Где п — частота вращения коленчатого вала двигателя.
Учитывая зависимость (15.146), зависимость (15.148) можно представить в виде:
Ne = 0.955 • Р • = 0.955 • Р • —= 0.955 • Р • = 30 30/тг 9.55
Таким образом, из выражения (15.149) становится ясным, из каких соображений длина рычага была выбрана равной L = 0.955 м.
Подставляя каждый раз в выражение (15.149) значения усилия Р на рычаге тормозного устройства и частоту вращения коленчатого вала п, определим ряд значений эффективной мощности Ne двигателя. Полученные данные занесем во вторую строку таблицы.
Часовой расход топлива двигателем GT определим на основании следующих рассуждений. Если двигатель за время At расходует А грамм топлива (см протокол испытаний), то за 1 секунду он расходует А/At Грамм топлива. Так как 1 час имеет 3600 секунд, то за 1 час работы двигатель израсходует следующую массу топлива:
GT = ^-3600 [I];
Gt Л 3600 А ГкгТ
Подставляя в соотношение (15.150) данные из протокола испытаний, определим ряд значений часового расхода топлива двигателем при определенных значениях частоты вращения коленчатого вала. Полученные данные занесем в таблицу (третья строка).
Удельный эффективный расход топлива определим по формуле:
GT Г кг 1 GT • 1000 Г г I /1К1К1Ч
*!= ж [ж^]=-тгг Ra^J ■ (15Л51)
Подставляя в выражение (15.151) данные GT и Nej определенные по формулам (15.149) и (15.150), получим ряд значений де, соответствующих ряду значений частоты вращения коленчатого вала двигателя. Эти значения занесем в четвертую строку таблицы.
Величины, полученные по формулам (15.146), (15.149), (15.150) и (15.151), представляют собой результаты косвенных измерений, выполненные на основании результатов прямых измерений опираясь на функциональную связь параметров двигателя.
Данные, приведенные в таблице, выражают зависимость основных показателей двигателя
• крутящего момента Мв;
• эффективной мощности Ne\
• часового расхода топлива GT;
• удельного эффективного расхода топлива де
От частоты вращения коленчатого вала двигателя п при максимальном положении органа управления подачей топлива. Эти данные выражают собой табличное представление скоростной характеристики двигателя.
|
Рис. 15.25. Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателя |
Так как рычаг управления подачей топлива установлен в максимальное положение, то полученную скоростную характеристику называют внешней. Такое название обусловлено тем, что она соответствует предельному (максимальному) положению органа управления подачей топлива. Отсюда следует, что снять можно только одну внешнюю скоростную характеристику двигателя. Так как можно установить любое промежуточное положение органа управления подачей топлива, то можно снять большое количество скоростных характеристик двигателя, называемых частичными.
Как отмечалось ранее, более удобной формой является графическое представление скоростной характеристики двигателя, которая строится по приведенным в таблице данным.
На рис. 15.25 приведен примерный вид внешней скоростной характеристики дизельного двигателя. Точка 1 соответствует максимальным коленчатого вала двигателя, когда момент сопротивления на его валу равен нулю (Мсопр = МТ = 0). В этом случае и крутящий момент двигателя равен нулю (Ме 1 = Мт = 0), так как усилие на рычаге равно нулю (Pi = 0). Так как крутящий момент двигателя равен нулю, то его эффективная мощность также равна нулю (Nei = 0). Удельный эффективный расход топлива в этом случае равен бесконечности (<jel = оо), так как знаменатель в выражении (15.151) равен нулю.
Точка 1 соответствует работе двигателя без нагрузки (на холостом ходу). Режим работы двигателя, соответствующий точке 1, можно получить только на двигателе, на котором не установлен регулятор (ограничитель) оборотов. Максимальные обороты коленчатого вала празн, соответствующие работе двигателя в точке 1, называют разносными. Работа двигателя при такой частоте вращения коленчатого вала недопустима.
По мере увеличения нагрузки на двигатель его параметры изменяются следующим образом (начиная с точки 1):
Ветствующего минимально устойчивой частоте вращения коленчатого вала птin при работе двигателя под нагрузкой;
• часовой расход топлива GT постоянно уменьшается от максимального значения (точка 10) до минимального значения при nmin;
• удельный эффективный расход топлива де сначала уменьшается от бесконечности до некоторого минимального значения (точка б), а затем снова увеличивается, достигая определенного значения при nmin.
С энергетической и экономической точки зрения двигатель большую часть времени должен работать в зоне большой мощности и минимального удельного эффективного расхода топлива (точка 6). Максимальная мощность двигателя Nemax соответствует точке 2. Правее точки 2 в области оборотов коленчатого вала пхх <-► празн работа двигателя недопустима из-за снижения мощности двигателя, значительного ухудшения его экономичности. При этом имеют место значительные инерционные нагрузки на детали двигателя из-за больших ускорений. Чем больше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем быстрее движется поршень. При этом движение поршня является неравномерным. Из-за больших сил инерции ресурс работы двигателя заметно снижается.
Чтобы исключить работу двигателя в области, расположенной правее точки 5, устанавливают специальные устройства ограничители (регуляторы оборотов). С помощью таких регуляторов (ограничителей) настраивают работу двигателя на определенный максимальный режим. Регулятор воздействует на топливный насос дизельного двигателя.
Работа двигателя на режиме максимальной мощности (точка 2) также недопустима, так как при этом имеет место дымный выпуск отработавших газов. Дымный выпуск отработавших газов указывает на неполное сгорание топлива. Чтобы исключить работу двигателя в зоне дымления (точка 2), регулятор оборотов настраивают на ограничение цикловой подачи топлива таким образом, чтобы максимальная мощность двигателя была несколько меньше (точка 3). Точка 3 соответствует началу работы регулятора оборотов коленчатого вала двигателя (если двигатель работает по внешней скоростной характеристике).
Максимальную мощность двигателя, соответствующую работе двигателя по внешней скоростной характеристике без дымления, называют номинальной Ne = NeН = 0.9Nemax (точка 3). Этой мощности соответствует определенная частота вращения коленчатого вала пн, называемая номинальной. Работа двигателя правее точки 3 сопровождается уменьшением нагрузки на коленчатый вал двигателя, в результате чего увеличивается частота вращения коленчатого вала. Однако благодаря регулятору, который резко уменьшает подачу топлива, частота вращения коленчатого вала двигателя увеличивается незначительно. Точка 8 соответствует работе двигателя с регулятором на холостом ходе. В точке 8 имеют место минимальные цикловые подачи топлива в цилиндры двигателя. Поэтому в диапазоне оборотов пн —► пхх линии 3-8 (Ne) и 5-8 (Ме) резко опускаются вниз. Линии 3-8 и 5-8 называют регуляторными ветвями Внешней скоростной характеристики двигателя. Точка 8 соответствует работе двигателя без нагрузки, когда индикаторная мощность двигателя
Ne равна энергетическим затратам на привод агрегатов и узлов двигателя и преодоление сил трения внутри него. Такой режим работы двигателя наблюдается в том случае, если педаль подачи топлива установлена на максимум, а нагрузка на коленчатом валу отсутствует (передача для осуществления движения автомобиля не включена).
Так как после вступления в работу регулятора (точка 3) эффективная мощность двигателя уменьшается Ne —* 0, то удельный эффективный расход топлива де резко увеличивается (это следует непосредственно из выражения (15.151)), хотя при этом цикловая подача также уменьшается.
Бели устанавливать промежуточные положения рычага управления подачей топлива, то регуляторные ветви 3-8 и 5-8 смещаются влево. Это смещение тем больше, чем меньшая подача топлива.
Практическая ценность внешней скоростной характеристики состоит в том, что с ее помощью можно оценить способность двигателя работать под нагрузкой и определить наиболее целесообразные режимы работы двигателя в составе силовой установки автомобиля и других транспортных средств.
Параметры двигателя NeН, Мен, деН> определенные при номинальной частоте вращения коленчатого вала пн, называют номинальными. Их значения, как правило, заносят в паспорт двигателя. Номинальной мощности двигателя NeH соответствует точка 3, номинальному крутящему моменту Мен ~ точка 5, номинальному удельному эффективному расходу топлива Ден — точка 7.
На внешней скоростной характеристике двигателя (рис. 15.25) можно выделить ряд характерных точек:
• точка 4, соответствующая максимальному значению крутящего момента Мстах. Этому режиму работы двигателя соответствует определенная частота вращения коленчатого вала пм;
• точка 6, соответствующая минимальному значению удельного эффективного расхода топлива детin. Этому режиму работы двигателя также соответствует определенная частота вращения коленчатого вала, равная Пд.
Величину, численно равную отношению
= (15.152)
Мвн Меб
Называют коэффициентом приспособляемости двигателя.
Коэффициент приспособляемости характеризует тяговые свойства двигателя. Чем больше его величина, тем устойчивее работа двигателя под нагрузкой.
Значение коэффициента приспособляемости численно равно:
• для бензиновых двигателей —1.25… 1.35;
• для дизельных двигателей —1.1… 1.18.
Если при установившемся движении автомобиля двигатель работает на номинальном режиме, то с увеличением нагрузки частота вращения коленчатого вала уменьшается, а поэтому точка 5 на кривой крутящего момента смещается к точке 4, характеризующей режим максимального крутящего момента. Момент, развиваемый двигателем, зависит от силы давления рабочего тела, которая, в свою очередь, зависит от количества сгораемого топлива. Отсюда можно полагать, что при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента (точка 4) имеет место максимальная цикловая подача топлива рцтах. Исследования подтверждают данный вывод. Работа двигателя на режиме максимального крутящего момента (точка 4) является предельной. Дальнейшее увеличение нагрузки на двигатель приводит к неустойчивой его работе в зоне, расположенной левее точки 4- В эксплуатации при смещении режима работы двигателя близко к точке 4 с целью недопущения его остановки переключают ступень коробки передач на низшую. В этом случае крутящий момент на ведущих колесах автомобиля увеличивается за счет увеличения передаточного отношения трансмиссии, а частота вращения коленчатого вала увеличивается, и режим работы двигателя смещается ближе к точке 5. Чем больше коэффициент приспособляемости, тем выше относительно точки 5 расположена точка 4• В этом случае при возрастании нагрузки на двигатель на одну и ту же величину его обороты снижаются меньше. Увеличение коэффициента приспособляемости двигателя позволяет уменьшить число ступеней в коробке передач автомобиля.
Длительная работа двигателя на режиме максимального крутящего момента недопустима из-за его перегрева. Наиболее целесообразной является работа двигателя в диапазоне оборотов коленчатого вала п„ —> пм, ограниченного точкам 7 и 11. В этом диапазоне расположены точки максимальной мощности двигателя (точка 5) и минимального удельного эффективного расхода топлива (точка 6).
Таким образом, для наземного транспортного средства внешняя скоростная характеристика двигателя имеет одно важнейших значений. Она влияет на облик трансмиссии машины.