Раздел 5
Раздел 5. Расчет теоретических характеристик двигателя
РАСЧЕТ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ
Энергия, вырабатываемая двигателями внутреннего сгорания, используется потребителями (тракторами и автомобилями) с самым различным характером изменения потребляемой мощности, который определяется условиями их эксплуатации.
Двигатель должен работать в широком диапазоне изменения частоты вращения и мощности (крутящего момента). Этот диапазон определяется допустимыми условиями работы двигателя и потребителя и может быть ограничен различными факторами: тепловой и механической напряженностью деталей двигателя, условиями протекания рабочего процесса и др. Например, минимальный допустимый скоростной режим определяется условиями устойчивой работы двигателя.
На каждом скоростном режиме эффективная мощность (крутящий момент) двигателя может изменяться от нуля (холостой ход) до максимального значения, которое может развивать двигатель.
Мощность при заданном скоростном режиме изменяют органом управления. Таким органом в бензиновом двигателе является дроссельная заслонка, а в дизелях – специальное устройство топливного насоса, при помощи которого изменяют подачу топлива за цикл. Каждому положению органа управления соответствует вполне определенная характеристика изменения мощности или крутящего момента в зависимости от частоты вращения.
Имея подобные характеристики для нескольких положений органа управления, можно получить все поле возможных режимов работы двигателя.
Для оценки динамических и экономических показателей тракторных и автомобильных двигателей, а также транспортных средств в целом, на которые они устанавливаются, необходимо знать характер изменения их основных показателей в функции частоты вращения коленчатого вала или нагрузки:
Ne ,Gт , ge и Mк = f(n) или Gт , ge , Mк и n = f(Ne).
При отсутствии реальных, полученных экспериментальным путем, характеристик прибегают к их отысканию расчетным путем.
При построении теоретических (расчетных) характеристик двигателя могут быть применены следующие способы.
1. Применяют закон изменения всех показателей, которые обычно оцениваются при проведении теплового расчета, а именно:
Ра, Рz, Тс, Тс’, a , hv , Tz , n1, n2, x
в функции от частоты вращения или нагрузки.
Исходя из этих данных, проводят для нескольких (пяти-семи) значений частоты вращения n тепловые расчеты двигателя (расчеты рабочего цикла), основные размеры которого определены для номинального режима работы. На основании данных, полученных из тепловых расчетов, строят кривые: Ne ,Gт , ge и Mк = f(n) или Gт , ge , Mк и n = f(Ne).
2. Используют эмпирические зависимости, для которых исходными данными являются показатели номинального режима работы двигателя, полученные из теплового расчета.
Первый способ связан с большим объемом расчетных операций, что обуславливает целесообразность его применения с использованием ЭВМ. При этом необходим большой объем информации по характеру (закономерности) изменения целого ряда исходных параметров, величина которых меняется в функции частоты вращения и мощности двигателя.
Второй способ построения характеристик сводится к воспроизведению среднестатистической геометрической формы кривых и как следствие этого не требует большого объема расчетных работ.
Построение внешней скоростной и регуляторной характеристик двигателя по второму способу рассмотрим раздельно с использованием ниже указанных значений частот вращения (мин -1):
nmin – минимальная устойчивая частота вращения, которая достигается при полной нагрузке без риска остановки двигателя;
nн — номинальная частота вращения вала двигателя;
nN — частота вращения вала двигателя, которой соответствует максимальное значение мощности Ne max ;
nM — частота вращения вала двигателя при максимальном значении крутящего момента Mк max ;
nх max — максимальная частота вращения при работе двигателя на холостом ходу;
nразн — максимально возможная частота вращения вала двигателя, которая может быть достигнута на холостом ходу при положении органа управления режимом работы, соответствующем максимальному (полное открытие дроссельной заслонки бензинового ДВС или постоянное положение рейки топливного насоса высокого давления дизеля), так называемый «разносный» режим работы.
Предельные значения частот вращения ( мин-1) характерных скоростных режимов для различных двигателей приведены в таблице 1.
Таблица 1
(0,4…0,7) nн
(0,5…0,8) nн
nх max
(1,05…1,15) nн
(1,05…1,1) nн
nразн
(1,5…2) nн
Построение внешней скоростной характеристики двигателя.
Скоростной характеристикой двигателя называется зависимость мощностных (Ne, Мк, Ре) , экономических (Gт , ge) , токсических и других показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при постоянном положении органа управления режимом его работы.
Характеристика двигателя, полученная при полном открытии дроссельной заслонки (для бензинового ДВС) или положении рычага управления топливного насоса высокого давления (ТНВД) на упоре (для дизеля), называется внешней, а при промежуточном их положении – частичной скоростной характеристикой.
Построение внешней скоростной характеристики для автомобильных бензиновых двигателей и дизелей проводится в диапазоне частот вращения от nmin до nн .
При известных (предварительно определенных тепловым или тяговым расчетом) значений номинальной (максимальной) мощности Ne н (Ne max ) и соответствующих им частот вращения nн (nN ), расчетные значения эффективной мощности двигателя Ne ,кВт, для произвольного (в пределах рабочей зоны характеристики) значения частоты вращения вала n, мин-1 , могут быть определены по следующим эмпирическим зависимостям:
для бензиновых двигателей
Ne = Ne max n / nN [ 1 + n / nN – (n / nN)2 ] ; (1)
для дизелей с неразделенными камерами сгорания
Ne = Ne н n / nн [ 0,87 + 1,13 n / nн – (n / nн)2] ; (2)
для дизелей с вихревой камерой сгорания
Ne = Ne н n / nн [ 0,7 + 1,13 n / nн – (n / nн)2] . (3)
В приведенных выше выражениях Ne max и Ne н – соответственно максимальная и номинальная (определенная тепловым или тяговым расчетом) эффективная мощность, кВт для соответствующей частоты вращения вала двигателя .
Обычно для бензиновых двигателей Ne max = (1,04…1,08) Ne н , а соответствующая этой мощности частота вращения вала nN = (0,8…0,95) nн .
Если максимальная эффективная мощность двигателя равна номинальному значению (для бензиновых ДВС с ограничением предельной частоты вращения и для всех дизелей), то Ne max = Ne н и nN = nн .
Для автомобильных бензиновых двигателей можно пользоваться также единой (статистической) относительной скоростной характеристикой, которая представляет собой кривую изменения отношения Ne / Ne max (или Ne / Ne н для случая наличия ограничения предельной частоты вращения, когда Ne max = Ne н), а также ge/ge N (или ge/ge н) в функции n /nN ( или n /nн). Эти отношения в табличной форме представлены ниже:
Таблица 2
n /nN (n /nн), %
ge/ge N (ge/ge н), %
Nе / Ne max(Ne / Ne н) , %
Для четырехтактных дизелей соотношения между относительными значениями частоты вращения вала и мощностью следующие:
Здесь n – задаваемое (в пределах рабочей зоны) для каждого расчетного режима значение частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Таблица 3
Ne / Ne н , %
По расчетным значениям мощности строится кривая, отображающая функцию Ne = f(n).
Кривая, отображающая характер изменения крутящего момента Мк = f(n), строится согласно выражению
Мк = 9550 Ne/n . (4)
Удельный эффективный расход топлива ge , г /(кВт . ч), может быть определен по приведенной выше таблице 2 (для бензиновых двигателей) или по следующим эмпирическим зависимостям:
для бензиновых двигателей
ge = geN [ 1,2 — n / nN + 0,8 (n / nN)2 ] ; (5)
ge = geн [ 1,55 – 1,55 n / nн + (n / nн)2 ] , (6)
где geN , geн , г /(кВт . ч) – соответственно удельный эффективный расход топлива при максимальной и номинальной мощностях.
Для бензиновых двигателей geN =(0,85…0,95) geн .
Часовой расход топлива, кг/ч , определяется по формуле:
Gт = ge . Ne . 10-3 . (7)
Обычно полученные при выполнении расчетов данные для удобства построения кривых внешней скоростной характеристики двигателя предварительно заносятся в таблицу.
n, мин-1
Ne, кВт
Мк, Н.м
Gт , кг/ч
ge , г/(кВт.ч)
На рис.1-а и б показаны примеры построения внешних скоростных характеристик бензинового двигателя и дизеля.
По данным построенной характеристики определяется коэффициент приспособляемости двигателя:
к = Мк маx / МкN (8)
Для бензиновых двигателей по внешней скоростной характеристике коэффициент приспособляемости к = 1,1…1,4; для дизелей к = 1,12…1,17. Чем выше коэффициент приспособляемости двигателя, тем лучше динамические качества транспортного средства.
Построение регуляторной характеристики дизеля.
Согласно требованиям ГОСТ 18509-88 внешнюю скоростную характеристику дизеля следует снимать при положении органа управления регулятором частоты вращения, соответствующем номинальному, то есть при положении рычага управления регулятором на упоре.
В реальных условиях эксплуатации автомобильные, тракторные и комбайновые двигатели работают при одновременном изменении нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Автоматическое регулирование подачи топлива в зависимости от изменения внешней нагрузки и, соответственно, частоты вращения, осуществляется всережимным регулятором. Изменение показателей двигателя при работе с регулятором оценивается по регуляторным характеристикам. Регуляторная характеристика является основной паспортной характеристикой.
Регуляторной характеристикой дизеля называется зависимость мощностных (Мк, Ne), экономических (Gт, ge) и других показателей двигателя от частоты вращения вала при фиксированном положении рычага управления регулятором на упоре.
Кроме того, регуляторные характеристики могут быть представлены как зависимость основных показателей двигателя от крутящего момента или от эффективной мощности двигателя.
При положении рычага управления регулятором на упоре максимальной частоты вращения вала получают полную регуляторную характеристику дизеля, оценивающую максимальные мощностные показатели.
При промежуточном положении рычага управления всережимным регулятором изменяется усилие предварительной затяжки пружины регулятора и , соответственно, частота вращения вала и мощность двигателя. Такие характеристики называются частичными регуляторными характеристиками.
Из сказанного выше следует, что параметрами регуляторной характеристики двигателя являются Ne, Мк, Gт, ge. Эти параметры отображаются на графиках регуляторной характеристики в функции частоты вращения вала двигателя n.
При построении регуляторной характеристики в функции нагрузки двигателя Ne параметрами являются Мк, Gт, ge и n.
В каждой регуляторной характеристике различают корректорную и регуляторную ветви. Корректорные ветви соответствуют работе двигателя при n
Характеристики двигателя
В двигателе внутреннего сгорания выделяющиеся при сгорании топлива газы давят на поршень, и через преобразующий механизм выполняют механическую работу по вращению коленчатого вала двигателя. Затем эта работа используется для вращения ведущих колес автомобиля. Любой двигатель обладает определенной мощностью и крутящим моментом. Большинство людей при оценке автомобиля в первую очередь обращают внимание на мощность его двигателя и не очень интересуются крутящим моментом, хотя его значение существенно влияет на поведение автомобиля на дороге. Крутящий момент на вале двигателя представляет собой произведение величин силы и длины плеча ее действия.
Современной единицей измерения крутящего момента является ньютонометр (Н•м). Крутящий момент, создаваемый двигателем, зависит от рабочего давления внутри цилиндра двигателя, площади поршня, радиуса кривошипа коленчатого вала и ряда других параметров. Поскольку время воздействия давления газов на поршень изменяется при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя, крутящий момент также изменяется. Если умножить величину крутящего момента, соответствующую определенной частоте вращения вала двигателя, на его угловую скорость, получим значение мощности двигателя, развиваемой при этой скорости. Начиная с XVIII в., единицей измерения мощности была лошадиная сила. Современной международной единицей измерения мощности является киловатт(кВт). При этом лошадиную силу (л. с. ) довольно часто продолжают указывать в технических характеристиках автомобильных двигателей. Для того, чтобы перевести мощность, указанную в киловаттах, в лошадиные силы, нужно умножить ее значение на 1, 34.
Внешняя скоростная характеристика ДВС:
Ne — эффективная мощность;
Me — эффективный крутящий момент;
Mmax — максимальный крутящий момент;
Nmax — максимальная мощность;
МN — крутящий момент, соответствующий максимальной мощности;
ω — угловая скорость вала двигателя
Профессиональные автомобилисты для оценки работы двигателя используют скоростные характеристики, которые представляют собой зависимость крутящего момента двигателя и его мощности от угловой скорости или частоты вращения его вала, они называются «скоростные характеристики двигателя». Скоростные характеристики реальных двигателей получают при их испытаниях на специальных стендах. Очевидно, что значения показателей двигателя будут зависеть от количества поступающего в двигатель топлива, то есть от положения педали «газа». Зависимость скорости автомобиля, полученная при максимальной подаче топлива в цилиндры двигателя, называется «внешней скоростной характеристикой» (ВСХ).
На графике скоростной характеристики отмечаются минимальные и максимальные обороты коленчатого вала двигателя. Как можно заметить из приведенной скоростной характеристики ДВС, крутящий момент достигает своего максимального значения при средних оборотах вала, а затем, при дальнейшем увеличении частоты вращения, снижается. Хорошо это или плохо? Давайте представим себе автомобиль, который движется по ровной горизонтальной дороге с максимальной скоростью, а его двигатель имеет такую кривую изменения крутящего момента. Максимальная скорость наступает при оборотах двигателя, близких к наибольшим, когда сила, приложенная к ведущим колесам автомобиля и соответствующая крутящему моменту двигателя при этих оборотах, увеличенному с помощью трансмиссии, уравняется с силами сопротивления движению, действующими на автомобиль. Если на дороге перед этим автомобилем возникнет даже небольшой подъем, сила сопротивления увеличится, а обороты двигателя уменьшатся. Что же произойдет при этом с крутящим моментом двигателя?
Из скоростной характеристики можно заметить, что уменьшение оборотов двигателя приведет к небольшому увеличению крутящего момента. Если подъем на дороге не очень велик, то этого увеличения крутящего момента, подводимого к ведущим колесам, может хватить для его преодоления без перехода на более низкую передачу в трансмиссии автомобиля. Другими словами, двигатель с падающей характеристикой крутящего момента хорошо приспосабливается к увеличению сопротивления движению автомобиля. Причем, чем круче опускается кривая момента на скоростной характеристике при увеличении угловой скорости вращения вала двигателя, тем лучшей приспосабливаемостью он обладает.
Электрический двигатель имеет максимальное значение крутящего момента при минимальных оборотах, и при их увеличении крутящий момент постоянно снижается. Поэтому у электромобиля трансмиссия значительно упрощается — ему не нужна коробка передач. Любой автомобильный двигатель представляет собой совокупность механизмов и систем. Основными механизмами четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания являются кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и газораспределительный механизм (ГРМ).
