Динамические характеристики дизельного двигателя

Характеристики дизелей

Тепловозные двигатели работают в эксплуатации на переменных режимах по мощности от полной нагрузки (номинальной мощности) до холостого хода. Частота вращения коленчатого вала также может изменяться машинистом в зависимости от необходимой величины мощности при движении тепловоза с поездом.

Графические зависимости основных показателей работы дизеля (его мощности, момента, к.п.д., расхода топлива и т. д.) от параметров, определяющих режим работы (частота вращения вала, положение регулирующих органов и т. п.), называются характеристиками двигателя. Характеристики двигателей определяются при установшихся режимах работы на специальных испытательных стендах, обеспечивающих полное использование энергии дизеля во всем диапазоне его нагрузок и имеющих необходимую измерительную аппаратуру.

Основными из характеристик дизеля являются его скоростные характеристики, т. е. зависимости эффективной мощности дизеля Л/е (момента Ме) от частоты вращения вала п при определенной (установленной) подаче топлива за цикл (при неизменных положениях рейки топливных насосов). При определении скоростных характеристик подразумевается, что частота вращения п меняется именно вследствие изменения нагрузки на двигатель. В зависимости от количества фиксированных положений регулирующего органа топливопода-чи (рукоятки контроллера машиниста) дизель может иметь соответствующее число скоростных характеристик — например, кривые 1-5 на рис. 4.9, а. Скоростная характеристика 1, проходящая через точку номинального режима А (Л/р „ом, «ном), называется внешней характеристикой. Она показывает наибольшие возможные значения эффективной мощности дизеля, которые можно получить при соответствующих п и постоянной максимальной настройке топливоподачи. Название «внешняя» принято потому, что она является как бы внешней границей контура б-а-А-Б, в котором могут находиться точки всех возможных для данного дизеля рабочих режимов.

Кривые 2-5 на рис. 4.9, а называются частичными скоростными характеристиками. В диапазоне, ограниченном внешней характеристикой, может быть получено любое число частичных характеристик, которое связано с числом возможных настроек топливоподающей системы на неполную (частичную) подачу.

Штриховое продолжение внешней характеристики вправо от точки А является условным, оно показывает возможный характер этой зависимости при п> пнои. Однако по этой части характеристики дизель не может и не должен работать по двум причинам. Во-первых, его конструкция по прочности и долговечности рассчитана из условия пкакс = пио». Во-вторых, эффективность рабочего процесса при п> п»ич оказывается низкой и неприемлемой по экономическим соображениям. Дело в том, что с увеличением п резко возрастает мощность механических потерь Ы„, составляющие которой пропорциональны второй и третьей степеням п. Поэтому быстро наступает момент, когда механические потери сравняются по величине с индикаторной мощностью дизеля. Эффективная мощность дизеля Ые=$1 — Л/м при этом становится равной нулю (точка В на рис. 4.9, а). Если на внешней характеристике такой момент может наступить лишь условно, так как он находится далеко за пределами допустимых значений п, то на частичных характеристиках этот момент может наступить и в рабочем диапазоне частот вращения вала (см. кривую 5 на рис. 4.9, а).

Таким образом, внешняя характеристика показывает максимальные значения мощности, которые дизель может развить при номинальной и частичных скоростях вращения его вала. Величина же мощности дизеля, которую можно использовать на тепловозе при каждом конкретном значении п, зависит от характеристик передачи. Естественно, что конструкция передачи должна быть рассчитана так, чтобы можно было использовать максимальное значение мощности дизеля Ые при п„оМ. Следовательно, в точке А (рис. 4.9, б) внешняя характеристика 1 должна совпадать с характеристикой передачи, т. е. мощность, развиваемая дизелем, должна быть равна мощности, потребляемой передачей. На частичных режимах вращения вала величина потребляемой мощности зависит от свойства и настройки передачи. При электрической передаче мощность тягового генератора примерно (если пренебречь изменением к.п.д.) пропорциональна частоте вращения якоря и, следовательно, коленчатого вала дизеля. Поэтому линия 6″, называемая генераторной характеристикой, показывает величину мощности дизеля, которая реализуется на тепловозах с электрической передачей при работе дизеля на номинальной и пониженных частотах вращения его вала.

При гидравлической передаче нагрузка дизеля осуществляется по так называемой винтовой характеристике (кривая 7).

Тепловозные дизели работают в диапазоне частоты вращения вала от птт до Яном, но не при любых значе-ниях п, а при определенных, фиксированных значениях, которые устанавливаются машинистом в соответствии с положением (позицией) рукоятки его контроллера. Таких фиксированных позиций бывает обычно на тепловозе от 8 до 15. Поэтому фактически в установившемся режиме двигатель всегда работает с неизменной частотой вращения, и если меняется нагрузка, то его мощность изменяется (благодаря работе регулятора дизеля) при постоянном п в пределах от максимального значения для данного п, ограничиваемого генераторной характеристикой, практически до нуля — при переходе на холостой ход. Поэтому вертикальная линия АБ (см. рис. 4.9,6), соответствующая возможному изменению нагрузки при л„ом, называется нагрузочной характеристикой дизеля при номинальной частоте вращения вала. Нагрузочных характеристик у дизеля может быть столько, сколько имеется фиксированных значений п. На рис. 4.9, а показаны вертикальные линии нагрузочных характеристик, соответствующих частотам вращения вала птіп, п\ — я4, пИ0м.

Читайте также:  Сколько воздуха должно быть в двигателе

Источник

Принцип работы и особенности конструкции двигателя внутреннего сгорания

Сегодня на автомобилях используются различные по своей конструкции двигатели внутреннего сгорания, которые могут оснащаться турбинами, что обеспечивает повышение мощности и великолепную топливную экономичность.

Сердцем любого автомобиля является двигатель внутреннего сгорания, который отвечает за динамические характеристики машины, ее мощность и приёмистость. Сегодня на современных автомобилях используются различные типы двигателей, атмосферные и турбированные агрегаты, которые могут работать на бензине, дизеле и других видах топлива. Поговорим поподробнее о том, какие существуют двигатели внутреннего сгорания, опишем их конструкцию и расскажем о работе силовых агрегатов.

Разновидности двигателей внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой агрегат, в котором происходит сгорание топлива, что позволяет преобразовать энергию в механическую силу, приводящую в движение колёса автомобиля. На сегодняшний день распространение получили следующие типы двигателей внутреннего сгорания:

1) поршневые агрегаты;

2) газотурбинные двигатели;

3) роторно-поршневые ДВС.

Самым популярным типом силовых агрегатов являются поршневые двигатели, которые могут выполняться атмосферными или дополнительно оснащаются турбинами, обеспечивающими отличную мощность и великолепные топливно-экономичные характеристики. Если в прошлом наибольшим спросом пользовались многолитровые атмосферные двигатели, то сегодня большинство автопроизводителей переходят на турбированные агрегаты, рабочий объем которых составляет не более 2-2,5 литров, а мощность может достигать 300 лошадиных сил.

К преимуществам поршневых двигателей можно отнести следующее:

1) относительная простота конструкции;

2) надежность и долговечность;

3) универсальность использования;

4) лёгкость ремонта.

Основным недостатком атмосферных двигателей являлся их существенный вес и посредственные показатели топливной экономичности, которые сочетались с небольшой мощностью таких агрегатов. Решить проблемы удалось путём установки сразу нескольких небольших по своему размеру турбин, что исключает возникновение турбоямы, то есть провала мощности на низких оборотах, при этом такой мотор потребляет меньше топлива, имеет легкий вес и отличается великолепной мощностью.

В зависимости от своего вида топлива принято разделять бензиновые, дизельные, газовые и спиртовые агрегаты. Последнее не получили должного распространения и встречаются преимущественно в Латинской Америке. Наибольшим спросом изначально пользовались бензиновые двигатели, которые многие автовладельцы в целях экономии переводили на газ. Однако сегодня наибольшую популярность получили дизельные моторы, которые одновременно мощные, отличаются великолепной топливной экономичностью, и при этом на них удалось решить проблемы с повышенной шумностью и существенной вибрацией.

В восьмидесятых и девяностых годах многие автопроизводители пытались выпускать свои машины с газотурбинными и ротор-поршневыми двигателями, однако такие моторы в силу сложности своей конструкции не получили должного распространены на рынке. Сегодня они, если и встречаются, то в Японии и странах Азии, а в Европе и России являются настоящей экзотикой.

Особенности конструкции

Современный двигатель внутреннего сгорания полностью управляется автоматикой и может существенно отличаться своей конструкцией. Стандартные агрегаты включают следующие блоки и узлы:

1) система управления;

2) выхлопная система и охлаждение;

3) зажигание в бензиновых моторах;

4) система смазки агрегата;

5) впуск и топливная система;

6) кривошипно-шатунный механизм;

7) газораспределительная система.

Корпус двигателя будет состоять из головки блока цилиндров, сверхпрочного блока цилиндров, а также кривошипно-шатунного механизма, который превращает движение коленвала во вращение привода и колес. С каждым годом конструкция двигателей неизменно усложняется, что является веянием времени, так как необходимо обеспечить улучшение топливно-экономических показателей, повысить мощность агрегатов, одновременно снизив их токсичность выхлопа.

Более 99% используемых на автомобилях ДВС являются четырехтактным, что позволяет обеспечить ровную работу агрегата, без провала мощности и выраженной детонации. Принцип их работы основывается на расширении газов при сгорании, что позволяет приводить в движение коленвал двигателя. В течение первых двух тактов – впуска и сжатия поршень будет двигаться вниз, а в последующем на рабочем ходу и выпуске происходит его быстрое движение вверх. Работа всех цилиндров полностью согласована, что позволяет обеспечить нужную мощность и ровное без провалов вращение коленвала, то есть двигатель выдает крутящий момент на коробку передач и далее на ведущие колёса.

Читайте также:  Контроллер оборотов двигателя постоянного тока

В последние годы существенно усложнилась конструкция впрыска, который состоит из специальных форсунок, обеспечивающих веерное распыление топлива с каплями размером в несколько микрон. Только так удается обеспечить полное сгорание топлива, соответственно улучшается отдача мотора и сокращается расход бензина и дизеля. Вся работа как впрыска, так и в целом двигателя управляется многочисленными электронными блоками, которые получают сигналы от десятков и сотен всевозможных датчиков.

Именно такое усложнение конструкции, которое в особенности отмечается на турбированных агрегатах, привело к тому, что существенно ухудшились показатели ресурса двигателей, если ранее возможен был самостоятельный ремонт, то сегодня машину при любых неисправностях приходится отгонять в сервис. Надежность двигателей пострадала, поэтому редко какой мотор может выдержать без капитального восстановления 200-300 тысяч километров. Тогда как ранее атмосферные моторы могли пробежать 1 000 000 километров и более.

Современные двигатели крайне критичны к качеству и регулярности выполнения сервиса. Если автовладелец пренебрегает рекомендациями производителя авто или использует не слишком качественное масло и антифриз, то в скором времени появляются серьезные проблемы, устранение которых может обойтись в круглую сумму. То же самое касается качества топлива. Стоит несколько раз заправиться на АЗС с сомнительным бензином, как инжектор и форсунки начинают неправильно работать, появляется детонация, выраженная дрожь, а в скором времени автовладельцу приходится посещать сервис, меняя при этом дорогостоящие вышедшие из строя элементы впрыска.

Выводы

Сердцем любого автомобиля является двигатель внутреннего сгорания, который может выполняться атмосферным и турбированным, работать на бензине или дизеле. Современные моторы полностью управляются электроникой, они экономичны, одновременно имеют небольшой объем, с которого удаётся снять более 100 лошадиных сил с литра рабочего объема. Автовладельцу лишь необходимо обеспечить соответствующий правильный сервис агрегата, что и станет залогом беспроблемности эксплуатации авто и отсутствия серьезных поломок.

Источник

Определение динамических параметров дизеля

4.1. Построение номинальной характеристики эффективной мощности дизеля

Для определения динамических параметров дизеля необходимо построить статические совмещенные характеристики комплекса «дизель — нагрузка». Построение начинают с номинальной характеристики эффективной мощности дизеля, которая соответствует номинальному положению рейки топливного насоса hн и неизменной топливоподаче.

Расчет точек характеристики производится по эмпирической формуле:

, (6)

Nен – номинальная эффективная мощность дизеля, кВт; wн – номинальная угловая скорость вращения вала дизеля, рад/с.

При расчетах используйте следующие соотношения:

1 кВт = 1,36 л.с.; , где n – частота вращения в об/мин.

Для расчета характеристики частота w изменяется в пределах от 0,2×wн до 1,1×wн с шагом около 0,05×wн . Следует выбрать ближайшие круглые значения пределов и шага для упрощения расчетов и построения графика.

Результаты расчета сводятся в таблицу, пример оформления, которой показан ниже. При расчете заполняется колонка, соответствующая номинальной топливоподаче hн.

Статические характеристики мощности дизеля

w Ne (w), КВт Nс (w),
рад/с hн 0,75×hн 0,5×hн 0,25×hн кВт

По результатам расчета строится графики зависимостей Ne(w) при h равной hн, 0,75×hн, 0,5×hн и 0,25×hн.

4.2. Построение нагрузочной характеристики

Зависимость мощности сопротивления нагрузки от угловой скорости вращения вала дизеля называется его нагрузочной характеристикой. Эта характеристика задана зависимостью:

. (7)

Для построения характеристики необходимо определить коэффициент нагрузки, приняв Nc = Nен, w = wн:

Затем вычисляем точки нагрузочной характеристики мощности сопротивления по формуле:

Результаты вычислений заносятся в соответствующую графу табл. 1, и затем строится график мощности сопротивления нагрузки, который совмещается с графиком номинальной эффективной мощности.

На графиках определяется точка D, в которой пересекаются характеристика эффективной мощности и нагрузочная характеристика. Эта точка соответствует режиму полной нагрузки при номинальном положении рейки топливного насоса h = hн.

4.3. Построение частичных характеристик эффективной мощности

На графике совмещенных статических характеристик проводим горизонтальные линии, параллельные оси абсцисс, на уровнях 0,75×Nен, 0,5×Nен, 0,25×Nен. Пересечение этих линий с нагрузочной характеристикой определит режимы работы с частичной мощностью дизеля при перемещениях рейки ТНВД 0,75×hн, 0,5×hн и 0,25×hн , соответственно. Точки пересечения (рабочие точки) обозначим как C, B и A, соответственно. Для каждой точки по графику определяем угловую скорость вращения вала дизеля в соответствующем режиме: wC, wB и wA . Таким образом, мы определим номинальные параметры трех режимов работы дизеля с частичной мощностью. Для каждого из этих режимов необходимо построить частичную характеристику эффективной мощности.

Читайте также:  Man tga эл схема управления двигателем

Расчет точек характеристики частичной мощности производится по следующей формуле

, (10)
где Nepi, wpi – координаты рабочей точки i-го режима работы дизеля.

Для режима i = 2 с номинальной эффективной мощностью 0,75×Nен принимаем Nер2 = 0,75×Nен и wр2 = wC, а затем рассчитываем точки зависимости Nеi(w). Результаты расчета заносятся в табл. 1. По данным таблицы строится график. Этот график будет проходить через точку C и соответствовать положению рейки топливного насоса дизеля h = 0,75×hн.

Аналогично строятся мощностные характеристики для режимов 0,5×hн и 0,25×hн , которые будут проходить через точки B и A.

4.4. Определение фактора устойчивости дизеля

Параметры дизеля зависят от его режима работы, поэтому их необходимо отдельно определять для рабочих точек D, C, B и A. Для всех рабочих точек параметры дизеля определяются аналогично.

Фактор устойчивости дизеля характеризует его способность автоматически компенсировать изменение нагрузки на валу за счет изменения скорости вращения и крутящего момента при неизменной топливоподаче

. (11)

Определим фактор устойчивости для 4-х мощностных режимов работы дизеля. Ниже описано определение фактора устойчивости для номинального режима (рабочая точка D). Для других режимов этот параметр определяется аналогично.

В точке D к кривым Nе(w, hн) и Nс(w) проводятся касательные и для них определяется тангенс угла наклона

, , (12)

где – небольшое задаваемое изменение частоты в рабочей точке, – соответствующие изменению частоты , изменения мощности. При вычислении углов наклона мощность следует подставлять в Вт.

Фактор устойчивости дизеля: , . Размерность величины Fд: Вт×с 2 .

Расчет фактора устойчивости повторяется для остальных режимов частичной мощности (рис. 3).

4.5. Определение постоянной времени дизеля

Для определения постоянной времени дизеля необходимо знать динамический момент инерции J вращающихся частей, соединенных с валом дизеля. Момент инерции выражается в кг×м 2 и ориентировочно может быть определен по приводимой в литературе [2] формуле (формула преобразована с учетом размерностей СИ [3]:

, (13)

где – угловая номинальная скорость вращения нагрузки; – передаточное отношение редуктора; Nен – номинальная эффективная мощность, подводимая к нагрузке в кВт.

Постоянная времени дизеля определяется по формуле

. (14)

Размерностью величины Tд является размерность времени, с.

Расчет Тд повторяется для всех рабочих режимов.

Рис. 3. Определение фактора устойчивости дизеля для различных режимов

4.6. Определение коэффициента усиления по подаче топлива

Коэффициент усиления дизеля по положению рейки ТНВД

. (15)

Вычисляется для каждого рабочего режима.

Для определения этого коэффициента необходимо построить вспомогательный график зависимости Nе(h) при wpi = const. Для определения координат вспомогательного графика на графике совмещенных статических характеристик через рабочую точку D проводим вертикальную линию, соответствующую частоте wD = wн, и определяем точки пересечения этой линии с частичными характеристиками эффективной мощности для
h = hн, h = 0,75×hн, h = 0,5×hн, h = 0,25×hн. Результаты сводятся в табл. 2. Построения повторяются для рабочих точек A, B, C, D.

Зависимость мощности от положения рейки ТНВД

Положение Мощность кВт при угловой скорости
рейки ТНВД wA = wB = wC = wD =
0,25×hн
0,5×hн
0,75×hн
hн

По данным табл. 2 строятся графики для рабочих точек A, B, C, D. Значения h откладываются по горизонтальной оси вспомогательного графика, а по вертикальной оси для каждого значения h откладывается значение эффективной мощности. Полученные точки соединяются плавной кривой.

Для каждой полученной кривой определяется тангенс угла наклона касательной к этой кривой в рабочей точке. Для кривой D примем h = hн, и в этой точке проводим касательную к кривой. Для касательной определяем тангенс угла наклона:

. (16)

При определении g мощность следует подставлять в Вт. По определенной величине g и фактору устойчивости дизеля определяем коэффициент усиления по подаче топлива

, поскольку . (17)

Размерность коэффициента Kh 1/c (или с -1 ).

Повторяем расчет для остальных режимов (рис. 4).

Рис. 4. Определение коэффициента усиления дизеля для различных режимов

4.7. Уравнение дизеля

Поскольку динамические параметры дизеля зависят от режима его работы, то дифференциальное уравнение дизеля запишется в следующем виде

, (18)

где i – символ рабочего режима дизеля.

Параметры уравнения дизеля, полученные в результате выполненных выше расчетов, сводятся в табл. 3.

Номинальному режиму работы дизеля соответствует режим с номинальным положением рейки топливного насоса hн (номинальная топливо подача) и номинальной эффективной мощностью на валу Nен.

Динамические параметры комплекса «дизель — нагрузка»

Параметр Режим дизеля
0,25×hн 0,5×hн 0,75×hн hн
Тд, с
Kh, c -1

Полученное описание динамики комплекса «дизель — нагрузка» используется в последующих исследованиях САРЧ вала дизеля.

Источник

Adblock
detector