Что такое нагрузочная характеристика двигателя

Нагрузочная характеристика карбюраторного двигателя

Зависимости изменения параметров цикла от нагрузки показаны на рисунок а. Удельный расход топлива согласно уравнению зависит от произведения ni и nm.

На холостом ходу вся развиваемая в цилиндрах двигателя индикаторная мощность затрачивается на преодоление внутренних потерь, а эффективная мощность с коленчатого вала двигателя не «снимается», поэтому ge стримится к бесконечности (рис. б).

При переходе от холостого хода к частичным нагрузкам растут значения ni и nm, что приводит к уменьшению ge и в момент наибольшего значения произведения ni и nm удельный расход топлива ge достигает своего минимального значения. При полной нагрузке (ре = 100 %) и близкой к ней индикаторный КПД уменьшается, так как в этом случае двигатель работает на обогащенном составе смеси. который не обеспечивает полного сгорания топлива, т. е. не вся введенная теплота преобразуется в индикаторную работу. Поэтому удельный расход топлива увеличивается при нагрузках более 75 %. Поскольку одним из условий снятия нагрузочной характеристики является постоянство частоты вращения коленчатого вала, то понятно, что каждому значению частоты вращения будет соответствовать своя нагрузочная характеристика.

Рис. Нагрузочные характеристики карбюраторного двигателя: а — зависимости изменения основных параметров цикла от нагрузки; б — зависимости изменения показателей работы двигателя от нагрузки

На рисунке показаны нагрузочные характеристики одного из карбюраторных двигателей при разных частотах вращения коленчатого вала. Если значения минимальных удельных расходов топлива характеристик соединить касательной (штрихпунктирная линия), то получим линию, которая называется экономической или универсальной нагрузочной характеристикой.

В реальных условиях эксплуатации режимы работ, соответствующие экономической характеристике, используются крайне редко, так как в карбюраторном двигателе большинство нагрузок имеют повышенные значения ge, что является их недостатком.

Для улучшения топливной экономичности карбюраторного двигателя используют работу на обедненных смесях или вовсе отказываются от карбюратора и переходят на систему с впрыском топлива.

Так как по условию n = const, то часовой расход топлива Gт согласно уравнению зависит только от отношения nv/а.

Из нагрузочных характеристик видно, что с изменением нагрузки значительно меняется коэффициент наполнения nv, (от 0,18 до 0,23 на холостом ходу и от 0,78 до 0,82 при полной нагрузке). В результате часовой расход топлива растет пропорционально увеличению нагрузки, а резкое его повышение на нагрузках, близких к полной, объясняется началом работы экономайзера.

Рис. Нагрузочные характеристики двигателя ЗИЛ-131 при различных значениях частоты вращения коленчатого вала: 1 — n = 3000 мин^-1; 2 — n = 2500 мин^-1; 3 — n = 2000 мин^-1; 4 — n = 1500 мин^-1; 5 — n = 1000 мин^-1

Что такое нагрузочная характеристика двигателя

В зависимости от заданной скорости судна главные двигатели, непосредственно или через передачу соединенные с гребным вин­том, работают на разных режимах, в широком диапазоне мощно­стей и при разных частотах вращения. Вспомогательные двига­тели, спаренные с генераторами электрического тока, работают при постоянной частоте вращения, но с различной мощностью, определяемой нагрузкой на генератор (характеристики ДВС по­зволяют оценить его рабочие качества в различных условиях экс­плуатации) .

Наибольшая мощность N _emax , которую двигатель может раз­вивать ограниченное время (1—2 часа), называется максимальной. Мощность N _{e ном} , которую двигатель может развивать дли­тельное время (она гарантируется заводом-изготовителем), называется номинальной. Мощность N _{e экс} которую двигатель фактически развивает в условиях эксплуатации, называется экс­плуатационной. Обычно N _{e экс} = (0,85?0,9) N _{e ном} . Длительная мощ­ность N _{e экс} , при которой достигается наименьший удельный эф­фективный расход топлива, называется экономической. Мощность N _{e min} , устойчиво развиваемая двигателем при минимальных ходах судна, называется минимальной.

Под характеристикой понимают графическое изображение зависимости технико-экономических показателей работы двигателя от других независимых показателей или факторов, влияющих на работу ДВС. Различают характеристики нагрузочные, скоростные и регуляторные.

Нагрузочная характеристика показывает, как изменяются мощ­ность, удельный расход топлива, механический к. п. д. и другие параметры двигателя в зависимости от нагрузки при постоянной частоте вращения.

На рис. 208 дано изменение основных пара­метров ДВС при работе по нагрузочной характеристике.

Как видно из этого рисунка, ? _м растет с увеличением нагрузки, причем вначале быстро, а затем медленнее. Изменение мощностей N _i и N _e характеризуют две прямые, причем расстояния между ними равно мощности механических потерь, т. е. N _i – N _e = N _м . Коэффициент а изменяется по закону прямой обратно пропорцио­нально нагрузке. При определенном значении нагрузки, b _е дости­гает наименьшего значения, а ? _е — наибольшего; b _i и ? _i изменя­ются по закону прямой. Нагрузочные характеристики позволяют оценить основные показатели дви­гателя при работе на генератор электрического тока.

Скоростные характеристики по­казывают, как изменяются основ­ные показатели двигателя с изме­нением частоты вращения его ко­ленчатого вала. К скоростным характеристикам относятся внеш­ние и винтовые.

Внешние показывают зависи­мость параметров двигателя от частоты вращения при постоянном количестве подаваемого топлива. При снятии характеристики регули­руют подачу топлива, соответствую­щую той или иной мощности, и, оставляя затем подачу неизменной, производят испытания. Поэтому различают характеристики максимальных мощностей, номиналь­ных и эксплуатационных.

Наибольший интерес представляет характеристика номиналь­ных мощностей (рис. 209). Так как подача топлива за цикл неизменна, то р _i и р _е должны быть постоянными. Но из рис. 209 видно, что р _i и р _е с ростом частоты вращения несколько умень­шаются. Это объясняется тем, что уменьшается коэффициент по­дачи топливной системы вследствие увеличения насосных потерь и сжимаемости топлива. Характер кривых N _i и N _e определяется уравнением N _i = kp _i n (где k — постоянный числовой коэффициент для данного двигателя). С ростом частоты вращения увеличива­ются потери N _м , уменьшается механический к. п. д. ? _м и незначи­тельно возрастают удельные расходы топлива b _i и b _e .

Винтовые характеристики показывают характер изменения параметров двигателя при работе на винт (рис. 210). Характер кривой будет в основном определяться элементами винта. Ориен­тировочно можно считать N _е = сп 3 (где с — коэффициент пропор­циональности) .

При совмещении винтовой характеристики с внешней, постро­енной для номинального режима (рис. 211), они пересекаются в точке 1, где мощность двигателя полностью поглощается вин­том. На других скоростных режимах двигатель значительно недогружен, что снижает экономические показатели двигателя.

Если частота вращения двигателя составляет n ₁ , то его мощ­ность N ₁ = сп ₁ 3 . При п ₂ мощность N ₂ = сп ₂ 3 . Находим отношение

Из этого выражения можно определить частоту вращения дви­гателя при работе на любом мощностном режиме N _e :

Устройство автомобилей

Характеристики двигателей

Оценить мощностные и экономические возможности двигателя внутреннего сгорания при работе его в различных эксплуатационных условиях можно по техническим и технологическим характеристикам, получаемым в результате различных испытаний – стендовых, дорожных, полигонных, эксплуатационных и т. п.

Характеристикой двигателя называется зависимость основных показателей его работы (мощности, вращающего момента на выходном валу, расхода топлива) от одного из параметров режима работы (частоты вращения коленчатого вала, внешней нагрузки и т. п.). Характеристики двигателя определяют его эксплуатационные качества, уровень технического совершенства, правильность регулировок, а также его назначение.

Основные характеристики автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний»:

скоростная характеристика – зависимость основных эффективных показателей работы двигателя от частоты вращения его коленчатого вала;

коэффициент приспособляемости – способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки;

нагрузочные характеристики – зависимости удельного и часового расхода топлива от мощности, развиваемой двигателем;

характеристика холостого хода – зависимость часового расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя без нагрузки;

регулировочные характеристики – зависимость мощностных и экономических показателей работы от состава рабочей смеси, воспламеняемой в цилиндрах двигателя, угла опережения зажигания или впрыска, температуры двигателя и других регулируемых факторов.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочной характеристикой называется изменение часового и удельного расхода топлива в зависимости от величины нагрузки. Работа на режимах нагрузочной характеристики наиболее характерна для двигателей, которые используются для привода электрических агрегатов, насосов, компрессоров, тракторов. В частности, нагрузочная характеристика имитирует работу двигателя на автомобиле, при его движении с постоянной скоростью на одной из передач в условиях переменного сопротивления со стороны дороги.

Цель получения нагрузочной характеристики – определение топливной экономичности двигателя.

Условия получения нагрузочной характеристики:

• независимая переменная величина – нагрузка на двигатель (так как с увеличением нагрузки для ее преодоления двигатель должен увеличивать мощность N_е , среднее эффективное давление р_е и крутящий момент М_к , то нагрузку выражают в процентах относительно одного из этих параметров;
• постоянная величина – частота вращения коленчатого вала;
• зависимые переменные величины – удельный расход топлива g_е и часовой расход топлива G_t .

Скоростная характеристика

Скоростная характеристика двигателя представляет собой зависимость основных эффективных показателей его работы (эффективная мощность, вращающий момент на выходном валу, удельный и часовой расход топлива) от частоты вращения коленчатого вала при постоянной подаче топлива в цилиндры в установившемся тепловом режиме.

Различают внешнюю и частичные скоростные характеристики.
Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива (полностью открытой дроссельной заслонке или соответствующем положении рейки топливного насоса дизеля) и при углах опережения зажигания или начала впрыскивания топлива по техническим условиям на двигатель, называется внешней скоростной характеристикой двигателя .
Внешняя скоростная характеристика позволяет определить максимальные мощностные показатели двигателя и оценить его экономичность при полных нагрузках.

Характеристики, соответствующие постоянным промежуточным положениям дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, называются частичными скоростными характеристиками двигателя . Иными словами, любая характеристика, полученная при неполном открытии регулирующего органа двигателя, называется частичной скоростной характеристикой.

Скоростную характеристику реального двигателя строят по результатам стендовых испытаний.
Вал работающего двигателя нагружают с помощью тормоза, обеспечивая фиксирование частоты вращения от минимально устойчивой до максимально допустимой. При этом на каждой частоте замеряют тормозной момент М_т в (Н×м) и часовой расход топлива в кг/ч.

По результатам испытаний строят кривые зависимости эффективного вращающего момента и часового расхода топлива от частоты вращения вала двигателя.
Затем, используя формулы:

находят эффективную мощность и удельный расход топлива, после чего отображают их графические зависимости.

В зависимости от укомплектованности двигателя вспомогательными устройствами и оборудованием определяют мощность нетто (полная комплектация) или мощность брутто (неполная комплектация).
Различают следующие характерные частоты вращения коленчатого вала:

• минимальная частота вращения, при которой возможна устойчивая работа двигателя при полной подаче топлива;
• частота вращения, соответствующая наибольшему вращающему моменту;
• частота вращения, соответствующая наибольшей мощности двигателя;
• наибольшая возможная частота вращения коленчатого вала, устанавливаемая ограничителем частоты вращения.

Характеристика холостого хода является частным случаем скоростной характеристики двигателя.

Внешнюю скоростную характеристику вновь проектируемого двигателя можно построить по эмпирическим зависимостям, где максимальная мощность и соответствующие ей удельный расход топлива и частота вращения берутся из данных теплового расчета двигателя при его конструировании.

Приемистость и приспособляемость двигателя

Способность двигателя с ростом частоты вращения коленчатого вала наращивать мощность называется его приемистостью .
Приемистость двигателя непосредственно влияет на приемистость автомобиля, т. е. его способности ускоряться и разгоняться. Скоростная характеристика во многом отражает степень приемистости двигателя: чем круче кривая N_е , тем приемистость двигателя больше.
Если сравнить скоростные характеристики карбюраторного двигателя и дизеля, то можно заметить, что кривая мощности N_е у дизеля круче, т. е. дизель обладает большей приемистостью.

Способность двигателя с ростом внешней нагрузки сохранять частоту вращения коленчатого вала называется его приспособляемостью (самоприспособляемостью или эластичностью).
Например, затяжной подъем один из автомобилей может преодолеть без переключения КПП на пониженную передачу, а другой при таких же условиях заглохнет. Следовательно, в первом случае приспособляемость двигателя автомобиля выше, чем во втором.
Приспособляемость автомобиля к изменению внешней нагрузки оценивается коэффициентом приспособляемости (коэффициентом самоприспособляемости). Чем больше значение этого коэффициента, тем лучше приспособляемость автомобиля к увеличению внешней нагрузки.

Устойчивость режима автомобильного двигателя к увеличению внешней нагрузки оценивают по запасу крутящего момента, который определяется отношением максимального крутящего момента М_кmax к крутящему моменту М_кном , развиваемому двигателем на номинальном режиме; это отношение и называют коэффициентом приспособляемости k .

Коэффициент приспособляемости k , характеризующий приспособляемость двигателя к изменению внешней нагрузки, может быть определен по формуле:

В бензиновых двигателях средний коэффициент приспособляемости k = 1,25. 1,35, в дизельных k = 1,05. 1,2.
Поскольку коэффициент приспособляемости характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки без переключения передач, можно сделать вывод, что дизельные двигатели переносят изменение внешней нагрузки хуже, чем карбюраторные. Чтобы преодолеть этот недостаток дизелей увеличивают размеры цилиндров, что приводит к увеличению крутящего момента, а также применяют всережимные регуляторы частоты вращения коленчатого вала.

1. Нагрузочные характеристики двигателей

Нагрузочной характеристикой двигателя внутреннего сгорания называется комплекс зависимостей часового, удельного эффективного расходов топлива и других показателей двигателя от его нагрузки при постоянной частоте вращения коленчатого вала.

В качестве показателя величины нагрузки могут выступать эффективная мощность, крутящий момент или, чаще всего, среднее эффективное давление. Иногда характеристику строят по аргументу, представленному в относительных величинах, например в процентах от максимальной (номинальной) мощности. На характеристику, кроме графиков расходов топлива, обычно наносят также кривые часового расхода воздуха, коэффициента наполнения, коэффициента избытка воздуха и других показателей двигателя.

1.1.Нагркзочная характеристика дизеля

Рис. 3.1. Зависимость показателей дизеля от нагрузки при n = const

агрузочная характеристика может сниматься как при регулировке топливного насоса высокого давления (ТНВД), установленной заводом изготовителем, так и с демонтированным устройством ограничения хода рейки ТНВД. Во втором случае цикловая подача топлива лимитируетсянаибольшей производительностью плунжерной пары насоса, что дает возможность обеспечить переобогащение смеси, выявить предел дымления и определить максимальную эффективную мощность, которую может развить дизель при данной частоте вращения коленчатого вала (рис. 3.1). На наиболее экономичном режиме (точка 1) дизель работает при полном бездымном сгорании при коэффициенте избытка воздуха α =1,5. 2,0. С увеличением нагрузки, а следовательно, и расхода топлива G_T смесь обогащается, коэффициент α приближается к значениям 1,2. 1,3, что приводит к неполноте сгорания топлива и возникновению дымления из-за появления в отработавших газах несгоревших углеродистых частиц — сажи (точка 3). Достижение максимальной мощности (точка 4) связано с переходом к еще более богатым смесям, коэффициент избытка воздуха при этом приближается к значению α =1, отработавшие газы приобретают черную окраску, удельный эффективный расход топлива существенно повышается. Дальнейшее увеличение цикловой подачи топлива приводит к еще большему ухудшению сгорания и падению мощности. Работа дизеля на режимах, сопровождающихся дымлением, не допускается. Режим номинальной мощности, определяемый (устанавливаемый) заводом-изготовителем, должен гарантировать бездымную работу дизеля (точка 2).

Анализ нагрузочной характеристики дизеля

Нарис. 3.2. представлена нагрузочная характеристика дизеля. Часовой расход топлива G_T с увеличением нагрузки р_е при n=const возрастает, так как при перемещении органа управления топливного насоса увеличивается цикловая подача топлива. До нагрузки примерно 70. 75% от максимальной (р_е=0,5 МПа) зависимость G_T = f(p_e) близка к линейной. При меньших нагрузках вследствие появления неполноты сгорания крутизна кривой G_T несколько увеличивается.

Часовой расход воздуха G_B у дизеля с ростом нагрузки при n=const, должен быть практически постоянным. Однако увеличение нагрузки сопровождается общим возрастанием тепловой напряженности двигателя, особенно заметным при больших нагрузках и при максимальной мощности. По этой причине увеличивается подогрев свежего заряда, плотность его снижается, что приводит к некоторому уменьшению G_B и соответственно коэффициента наполнения η_V.

Рис. 3.2. Нагрузочная

оэффициент избытка воздуха α снижается от α = 5,0. 6,0 на холостом ходу (р_е=0) до α =1,75 на режиме наименьшего удельного эффективного расхода топлива (при р_е = 0,56 МПа), поскольку наибольшая полнота сгорания топлива достигается, как правило, при α =1,6. 1,8. Для получения максимальной (или номинальной) мощности смесь должна быть обогащена до α_Н=1,2. 1,4 (в зависимости от типа камеры сгорания и способа смесеобразования). У исследуемого дизеля α_Н =1,5.

Минимальный удельный эффективный расход топлива, равный 230 г/(кВт ч), наблюдается при р_е= 0,56 МПа. При меньшей нагрузке экономичность двигателя ухудшается, так как увеличивается относительная доля механических потерь (механический КПД η_М падает). При больших нагрузках удельный расход топлива возрастает из-за увеличения неполноты сгорания топлива. На номинальном режиме g_e=235 г/(кВтч).