Навантажувальні характеристики двигунів

Дросельна характеристика

Дросельна характеристика є навантажувальною характеристикою карбюраторного двигуна і являє собою графічну залежність зміни годинної і питомої витрати палива від потужності двигуна або від його завантаження у відсотках.

Дросельна характеристика оцінює роботу двигуна по його економічності на різних навантаженнях. По цій характеристиці також судять про правильність регулювання органів паливоподачі і визначають по мінімальним g_e найвигідніші режими роботи двигуна.

Умови зняття характеристики наступні:

1. Постійний швидкісний режим роботи двигуна.

2. Постійний температурний режим охолодження двигуна.

3. Постійний оптимальний кут випередження запалювання.

Характеристику знімають при різних величинах відкриття дроселя, починаючи з режиму холостого ходу. Сталість обертів підтримується за рахунок зміни моменту опору обертанню колінчастого валу двигуна. Для карбюраторних двигунів іноді дросельні характеристики знімають для декількох найбільш поширених експлуатаційних швидкісних режимів, щоб мати всебічне уявлення про економічність роботи двигуна на цих режимах.

Загальний вид дросельної характеристики представлений на рис. 11.

Рис. 11. Дросельна характеристика

Характер зміни годинної витрати палива від навантаження двигуна можна пояснити, звернувшись до визначення індикаторної питомої витрати палива:

,

звідси

,

підставляючи , одержуємо: .

Якщо припустимо, що на величину _і не впливає навантаження, то G_T змінюється від N_і по прямій залежності (пряма лінія з центра O₁). Але в дійсності індикаторний ККД в міру зменшення навантаження знижується (рис. 12). Це пояснюється тим, що в міру зниження навантаження двигуна різко зменшується коефіцієнт наповнення, зміна якого приводить до зростання розбавлення суміші залишковими газами і, як наслідок, до збільшення загальної тривалості згоряння. У зв’язку з цим G_T на малих завантаженнях відхиляється від прямої залежності.

Рис. 12. Характер зміни _і та _м від навантаження карбюраторного двигуна

Аналіз характеру зміни питомої витрати палива від навантаження проведемо за допомогою виразу:

.

Для цього слід також проаналізувати, як змінюється _м в залежності від N_e двигуна:

.

Потужність механічних втрат по дросельній характеристиці (n = const) можна вважати постійною, але індикаторна потужність зі зменшенням навантаження спадає по прямій залежності. Тому відношення – збільшується, а різниця – різко знижується.

Отже, при дроселюванні двигуна добуток зменшується, що приводить до зростання питомої витрати палива.

Сучасні автомобільні двигуни мають карбюратори з економайзерами, які здійснюють збагачення суміші при повному відкритті дроселя з метою одержання більшої потужності і дозволяють на експлуатаційних, навантаженнях працювати з економічним регулюванням. Останнє приводить до деякого збільшення витрати палива в зоні максимального навантаження (пунктирна ділянка характеристики, рис. 11).

Аналіз дросельної характеристики показує, що робота двигуна при його недовантаженні невигідна, тому в експлуатаційних умовах вибирають найбільш економічні режими роботи двигуна, зону навантажень, які відповідають мінімальним питомим витратам палива.

Навантажувальна характеристика дизеля

Навантажувальна характеристика дизельного двигуна являє собою графічну залежність G_T, g_e = f (N_e) або G_T, g_e = f (р_e), де р_e – середній ефективний тиск.

Призначення й умови зняття характеристики ті ж, що і в карбюраторного двигуна.

Характеристика знімається при різних циклових подачах палива, що визначають у цього типу двигуна величину його завантаження. Стабільність частоти обертання колінчастого валу двигуна, починаючи з холостого ходу, підтримують за рахунок зміни гальмового моменту.

Загальний вид кривих характеристики представлений на рис. 13.

Рис. 13. Навантажувальна характеристика дизеля

Навантажувальна характеристика дизельного двигуна є частинним випадком регулювальної характеристики по паливу дизеля, але побудованої в інших координатах. Тому закономірності зміни параметрів, які визначають годинну і питому витрати палива, залишилися незмінними (вони показані на рис. 14 в залежності від навантаження). Пунктирна ділянка ліній відповідає режиму перевантаження двигуна.

Характер зміни в залежності від навантаження годинної і питомої витрат палива подібний карбюраторному двигуну, однак в даному випадку мають місце свої особливості.

У дизелях зміна потужності двигуна по навантажувальній характеристиці здійснюється якісним регулюванням, тобто зі збільшенням навантаження зменшується коефіцієнт надлишку повітря  (у карбюраторних двигунах при дроселюванні змінювався коефіцієнт наповнення двигуна). Зміна  в залежності від навантаження приводить до іншого його впливу на індикаторний ККД, пояснення якого дане в регулювальній характеристиці по паливу дизельного двигуна.

Рис. 14. Характер зміни _V, _і, _м,  від навантаження дизельного двигуна

Питома витрата палива також визначається добутком _і,_м, який зменшується на холостому ході до нуля і збільшує g_e до нескінченно великої величини.

Ця характеристика, побудована в координатах g_e – N_e, дає можливість визначити обмежуюче значення потужності, яка розвивається двигуном. Наближено цю потужність можна визначити таким способом. З початку координат проводимо дотичну до кривої питомої витрати палива. Проекція на вісь абсцис точки дотику буде знаходити потрібний навантажувальний режим. В точці дотику відношення має мінімальне значення і відповідає найкращому співвідношенню економічності й ефективності роботи двигуна для обраного режиму. На цьому режимі в більшості випадків з’являється димлення відпрацьованих газів.

Протікання кривої питомої витрати палива показує, що робота дизеля на недовантаженнях невигідна, як і в карбюраторних двигунах. Тому в процесі експлуатації дизелів варто прагнути використовувати їх на режимах, близьких до номінального.

Часткові характеристики

Карбюраторний двигун

Графічні залежності зміни кривих ефективної потужності і питомої витрати палива в залежності від частоти обертання при різних постійних положеннях дросельної заслінки називаються частковими характеристиками карбюраторного двигуна.

Ці характеристики дозволяють визначити динамічні й економічні показники роботи двигуна при різних навантаженнях.

Умовами зняття характеристик є постійний температурний режим роботи двигуна і постійне положення дросельної заслінки, обумовлене заданим навантажувальним режимом двигуна.

Зміна частоти обертання колінчастого валу двигуна здійснюється підбором необхідного гальмового моменту.

Часткові характеристики карбюраторного двигуна приведені на рис. 15, де  ступінь відкриття дроселя.

Рис. 15. Часткові характеристики карбюраторного двигуна

Характер зміни кривих N_e і g_e в залежності від частоти обертання підлягає закономірностям, розглянутим при аналізі зовнішньої характеристики. Їх зміна при переході з одного усталеного навантажувального режиму на іншій можна простежити, звертаючись до відомих рівнянь N_e і g_e.

Зміна від навантаження двигуна, як показують досліди, незначна. Вплив коефіцієнтів _V і _м на потужність двигуна зображено кривими на рис. 16. У карбюраторному двигуні прикриття дросельної заслінки приводить до збільшення опору у впускній системі. Кожному положенню дроселя відповідає своя залежність _V в залежності від частоти обертання. В міру прикриття дросельної заслінки _V з підвищенням швидкісного режиму спадає все стрімкіше. На малих частотах обертання різні величини прохідних перерізів у зоні дросельної заслінки незначно позначаються на коефіцієнті наповнення. Ці особливості і пояснюють криві зміни _V від n.

Характер протікання механічного й індикаторного ККД від навантаження був показаний при розгляді дросельної характеристики. У процесі прикриття дросельної заслінки _м зменшується тим швидше, чим на більшу величину здійснене це прикриття.

Рис. 16. Характер зміни _V та _м в залежності від n при різних навантаженнях карбюраторного двигуна

Закономірності протікання кривих _V, _і і _м в залежності від частоти обертання колінчастого валу двигуна при різних навантаженнях приводять до того, що максимум N_e і мінімум g_e зміщуються з прикриттям дроселя убік менших частот обертання і при цьому звужується діапазон робочих частот обертання. При зменшенні навантаження питома витрата палива збільшуються в оберненій залежності від зміни добутку _і_м.

Побудова часткових характеристик двигуна дозволяє виявити енергетичні (потужнісні) й економічні показники двигуна при різних навантаженнях а також характер їхнього протікання.

Дизельний двигун

Графічні залежності зміни N_e; g_e = f(n) при різних положеннях органа керування подачі палива називаються частковими характеристиками дизельного двигуна.

Мета зняття характеристик і умови їхнього одержання є аналогічними з карбюраторними двигунами.

Часткові характеристики дизельного двигуна представлені на рис. 17, де h – доля ходу рейки паливного насоса.

Проаналізувати криву потужності можна, звернувшись до формули:

.

Якщо в карбюраторному двигуні зміна N_e відбувалося при зменшенні навантаження в основному за рахунок зниження , то в дизельних двигунах зі зміною положення регулюючого органа коефіцієнт наповнення навіть трохи збільшується (на 4...5 %) внаслідок зменшення підігріву повітря, що надходить в циліндр. Тому цією незначною зміною для дизелів можна знехтувати.

Рис. 17. Часткові характеристнки дизельного двигуна

Основним же параметром, що впливає на N_е в дизельних двигунах, є відношення , яке значно змінюється в залежності від положення рейки паливного насоса або циклової подачі палива (рис. 18).

Рис. 18. Характер зміни , в залежності від n при різних навантаженнях дизельного двигуна

Змінюється в залежності від навантаження і механічний ККД. У формулі відношення при зменшенні циклової подачі палива збільшується, що приводить до зниження . У дизельних двигунах характер зміни в залежності від n при зменшенні навантаження відбувається по кривих, що зміщуються майже паралельно. Ці залежності визначають зміна N_e.

Питомі витрати палива визначаються добутком _і_м, який зменшується при зниженні навантаження. У цьому випадку питомі витрати підвищуються.

Порівняння часткових характеристик двох типів двигунів показує їхнє принципове розходження. У карбюраторних двигунів, внаслідок послідовного зменшення прохідних перерізів, на всмоктуванні при зниженні навантаження відбувається зсув точок максимуму кривих потужності убік менших частот обертання, зменшення діапазону робочих частот обертання і можливого одержання холостого ходу при частоті обертання меншої від номінальної.

У дизельних двигунах криві потужності при різних навантаженнях проходять еквідістантно, причому максимум N_e знаходиться майже на тому ж самому швидкісному режимі. Діапазон робочих частот обертання досить широкий і наближено постійний. Одержання холостого ходу при частоті обертання нижчій номінальної практично неможливе для більшості експлуатаційних навантажень. Тому подібний характер зміни часткових характеристик для дизелів вимагає обов’язкового обмеження максимальної частоти обертання за допомогою регулятора.

Характер зміни g_е для різних навантажень в залежності від n проходить у вигляді паралельних кривих. Зона g_емін знаходиться також при тій же частоті обертання колінчастого валу двигуна.

Часткові характеристики дизеля дозволяють виявити всю картину зміни динамічних і економічних показників двигуна і характер їх протікання в залежності від різних навантажувальних режимів.