Двигатели внутреннего сгорания

.

Удельная поршневая мощность характеризует общую напряженность двигателя.

Средняя скорость поршня (м/с) определяется по формуле:

,

где S - ход поршня, мм.

Коэффициентом форсировки называется произведение средней скорости поршня на среднее эффективное давление.

.

Коэффициент форсировки показывает два пути повышения мощности двигателя:

1. Применение наддува с увеличением цикловой подачи топлива и соответствующим возрастанием P_e;

2. Увеличение частоты вращения двигателя и возрастанием скорости поршня щ_ср.

Сухим весом двигателя G_Д называют вес двигателя без воды и масла, без коробки передач, муфты сцепления, радиатора и без агрегатов, не имеющих непосредственного отношения к двигателю, но с вентилятором, генератором и воздухоочистителем.

Литровым весом двигателя называется сухой вес двигателя, приходящийся на единицу литража:

.

Литровой вес дает возможность судить о степени совершенства конструкции и технологии изготовления двигателя.

Удельным весом двигателя называется сухой вес двигателя, приходящийся на единицу эффективной мощности:

.

4. Характеристики двигателей внутреннего сгорания

Работу двигателя в различных эксплуатационных условиях можно проанализировать, если установлена связь между его мощностью, крутящим моментом, расходом топлива и другими величинами и показателями, определяющими режим работы двигателя.

Режим работы двигателя характеризуется нагрузкой и числом оборотов.

Полной нагрузкой называется любой режим работы двигателя, независимо от числа оборотов, при полностью открытой дроссельной заслонке (карбюраторные и газовые двигатели) или полной подаче топлива (дизельные двигатели).

Частичными нагрузками называются любые другие режимы работы двигателя при неполном открытии дроссельной заслонки или неполной подаче топлива. Частичные нагрузки оцениваются в долях от полной нагрузки с указанием соответствующего им числа оборотов.

Зависимость какого-либо основного показателя (или показателей) работы двигателя от другого показателя или фактора, влияющего на работу двигателя, называется характеристикой двигателя.

Характеристики двигателя строятся на основании опытных данных, получаемых при испытаниях двигателя в лабораторных условиях.

Основными характеристиками двигателя являются: скоростная характеристика; нагрузочная характеристика; регулировочные характеристики.

Испытание и построение регулировочных характеристик двигателя обычно предшествует получению скоростных и нагрузочных характеристик.

4.1 Регулировочные характеристики

Регулировочной характеристикой называется зависимость мощности, крутящего момента, расходов топлива или одного из этих показателей от какого-либо показателя или фактора, влияющего на работу двигателя.

Мощность и экономичность карбюраторных двигателей зависят от состава горючей смеси, на которой они работают. Эту зависимость определяют с помощью регулировочной характеристики по составу смеси (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Регулировочная характеристика по составу смеси

Для определения регулировочной характеристики испытывают двигатель, поддерживая неизменным число оборотов коленчатого вала, положение дроссельной заслонки и температуру охлаждающей воды. При испытаниях изменяют только регулировку карбюратора, устанавливая последовательно топливные жиклеры с разными пропускными способностями или изменяя расход бензина через жиклеры с помощью регулировочной иглы.

При стабильном числе оборотов коленчатого вала и неизменном положении дроссельной заслонки количество воздуха, поступающего в двигатель, остается постоянным, поэтому в этих условиях изменение пропускной способности жиклеров обеспечивает обеднение или обогащение состава горючей смеси, на которой работает двигатель.

Количество тепла, которое должно выделяться при полном сгорании топлива, уменьшается как при обеднении смеси, так и при ее обогащении, учитывая химическую неполноту сгорания.

При уменьшении тепловыделения в процессе сгорания понижаются максимальные температуры и давления цикла, теплопередача в стенки и тепло, уносимое с выпускными газами.

Рациональная регулировка дозирующей системы выбирается на основании ряда регулировочных характеристик, полученных для конкретных эксплуатационных режимов.

Регулировочная характеристика по опережению зажигания показывает связь между эффективной мощностью, расходом топлива и углом опережения зажигания (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Регулировочная характеристика по опережению зажигания

Из сопоставления кривых регулировочной характеристики двигателя следует, что каждому режиму по числу оборотов соответствует определенный, наиболее выгодный угол опережения зажигания, при котором достигается наибольшая мощность. С увеличением числа оборотов наиболее выгодный угол опережения зажигания возрастает. Последнее объясняется главным образом тем, что с увеличением оборотов время, отводимое на сгорание, сокращается.

Регулировочная характеристика карбюраторного двигателя позволяет установить, что при рассматриваемом числе оборотов наиболее выгодному углу опережения зажигания соответствует не только наибольшее значение мощности, но и наилучшая экономичность - минимальный удельный расход топлива.

4.2 Скоростные характеристики

Скоростной характеристикой называется зависимость мощности, крутящего момента, расхода топлива и других показателей работы двигателя от числа оборотов.

Скоростная характеристика строится по данным испытаний двигателя на тормозном стенде и является основным документом для оценки двигателя при проектировании и в эксплуатации. По скоростным характеристикам сравнивают двигатели различных моделей.

Различают нормальные и нормально-эксплуатационные скоростные характеристики.

Нормальная скоростная характеристика снимается с двигателя, не оборудовнного вентилятором, воздухоочистителем и глушителем, а иногда и генератором.

Нормально-эксплуатационная скоростная характеристика снимается с двигателя, оборудованного полным комплектом всех вспомогательных приборов.

Скоростная характеристика двигателя может быть построена также аналитическим путем, но с некоторым приближением.

Скоростная характеристика в общем виде показана на рис. 4.3.

Характерными точками по оси частот вращения двигателя на скоростной характеристике являются:

n_min - минимальное число оборотов, при которых двигатель еще может устойчиво работать при полной нагрузке;

n_M - число оборотов, соответствующее максимальному крутящему моменту;

Рис. 4.3. Скоростная характеристика двигателя в общем виде

n_g - число оборотов, соответствующее наибольшей экономичности;

n_e - число оборотов, соответствующее максимальной мощности;

n_X - максимальное число оборотов, которое может развивать двигатель вхолостую при полностью открытом дросселе или полной подаче топлива;

n_P - максимальные или «разносные» обороты, которые двигатель может развивать без регулятора при полностью открытом дросселе или полной подаче на холостом ходу. Работа при таком числе оборотов недопустима.

Из скоростной характеристики следует, что максимальный крутящий момент выше крутящего момента, реализуемого при максимальной мощности двигателя.

Отношение максимального крутящего момента при n_M к крутящему моменту при n_e называется коэффициентом приспособляемости К.

Этот коэффициент является показателем, оценивающим динамические качества двигателя. Он характеризует способность двигателя преодолевать возможное увеличение суммарных сопротивлений при движении машины без перехода на низшую передачу. Коэффициент приспособляемости у карбюраторных двигателей составляет 1.1-1.4, у дизельных 1.05-1.15.

Число оборотов n_M, соответствующее максимальному крутящему моменту, обычно равно (0.4-0.7) n_e.

Внешняя скоростная характеристика

Характеристика, полученная при полностью открытом дросселе (карбюраторные и газовые двигатели) или при полной подаче топлива (дизельные двигатели) и соответствующая максимальной мощности двигателя на каждом скоростном режиме, называется внешней скоростной характеристикой. Любая точка на кривой внешней характеристики характеризует полную нагрузку двигателя (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Внешняя скоростная характеристика

Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя снимается при полностью открытой дроссельной заслонке, установившемся тепловом режиме и оптимальном угле опережения зажигания для каждого скоростного режима.

Частичные скоростные характеристики

Характеристики, полученные при не полностью открытом дросселе или неполных подачах топлива, называются частичными скоростными характеристиками. Любая точка на кривых частичных характеристик характеризует неполные нагрузки.

Протекание рабочих циклов карбюраторных двигателей на прикрытых дроссельных заслонках связано с понижением всех давлений цикла, уменьшением количеств выделяющегося тепла при сгорании и более медленном его протекании. Одновременно с этим при меньших нагрузках возрастают относительные величины насосных тепловых и механических потерь.

В соответствии с этим изменяется характер скоростных характеристик, на рис. 4.5 показаны внешняя скоростная характеристика (сплошные кривые) и частичная скоростная характеристика (пунктирные кривые).

Максимумы кривых эффективных мощностей по мере прикрытия дросселя сдвигаются в сторону меньших чисел оборотов.

Рис. 4.5. Внешняя и частичная скоростные характеристики

Дизельный двигатель, имеющий всережимный регулятор, при уменьшении нагрузки работает на более бедной смеси, вследствие чего температуры газов в цилиндрах понижаются и тепловые потери в стенки сокращаются, а насосные потери при уменьшении нагрузок остаются почти без изменения. Однако большие, чем в карбюраторных двигателях, механические потери при уменьшении нагрузки быстрее возрастают по относительной величине, несколько ухудшая топливную экономичность дизеля при его малых нагрузках. Числа оборотов, соответствующие наибольшим эффективным мощностям дизелей при частичных нагрузках и наличии регулятора, сдвигаются в сторону меньших оборотов только при сильном их уменьшении.

Построение скоростных характеристик аналитическим методом

Скоростная характеристика проектируемого двигателя может быть построена аналитически по эмпирическим формулам С.Р. Лейдермана, если для ряда режимов по числу оборотов произведен тепловой расчет.

;

.

Крутящий момент и часовой расход топлива определяют по формулам (Нм и кг/ч соответственно):

;

.

где - максимальная мощность двигателя, кВт;

- удельный расход топлива при максимальной мощности, кг/кВт· ч;

n - выбранная частота вращения коленчатого вала, с^-1;

n_e - частота вращения, соответствующая максимальной мощности, с^-1;

А, В, С, А₁, В₁, С₁ - постоянные коэффициенты, значения которых приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Постоянные коэффициенты формул Лейдермана

4.3 Регуляторная характеристика

В условиях эксплуатации двигателей их нагрузка изменяется в широких пределах. При неподвижном рычаге или педали, управляющими подачей топлива, изменение внешней нагрузки вызовет колебания частоты вращения двигателя. В этих случаях для сохранения частоты вращения двигателя, постоянной при изменении внешней нагрузки, необходимо соответcтвенно изменять мощность дизеля, что возможно за счет разного количества впрыскиваемого дизельного топлива.

Таким образом, при регулировании мощности дизеля и приведении ее в соответствие с внешней нагрузкой необходимо автоматически изменять цикловую подачу топлива, для чего в систему питания включают регулятор. В соответствии с этим для оценки параметров, характеризующих работу дизеля с регулятором, используют регуляторную характеристику, определяющую зависимость чисел оборотов, часовых и удельных расходов топлива и других параметров от эффективной мощности, при воздействии регулятора на орган подачи топлива.

Регуляторную характеристику снимают, испытывая дизель, причем снятие регуляторной характеристики должно производиться при постоянном положении органа управления регулятором путем постепенного увеличения нагрузки от холостого хода до полной. При этом числа оборотов изменяются от максимальных, определяемых регулятором, до оборотов, при которых крутящий момент дизеля достигает максимума. В соответствии с этим при увеличении внешней нагрузки повышение мощности дизеля должно быть получено автоматически за счет возрастания цикловых подач дизельного топлива.

Регуляторная характеристика дизеля представлена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Регуляторная характеристика дизеля

4.4 Нагрузочная характеристика

Нагрузочной характеристикой называется зависимость часового и удельного расходов топлива от мощности, крутящего момента или среднего эффективного давления двигателя при постоянном числе оборотов. Для снятия характеристик по нагрузке необходимы следующие условия:

· постоянное число оборотов;

· установившийся температурный режим двигателя;

· регулировка карбюратора в соответствии с инструкцией завода (карбюраторные двигатели);

· наивыгоднейший для данного режима оборотов угол опережения зажигания (карбюраторные двигатели) или угол опережения впрыска (дизельные двигатели).

Снятие характеристик производится при различных положениях дроссельной заслонки (карбюраторные двигатели) или при различных положениях рейки топливного насоса (дизельные двигатели).

На рис. 4.7. приводятся нагрузочные характеристики двигателей ЗИЛ-131 и ЯМЗ-236. Нагрузочные, характеристики позволяют оценить экономичность двигателя при различных режимах работы (по оборотам и нагрузке).

Рис. 4.7. Нагрузочные характеристики

Список литературы

1. Вырубов Д.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983.

2. Лесные машины: Учебник для вызов /под ред. д-ра техн. наук проф. Г.М. Анисимова. М.: Лесн. пром-сть, 1989.

3. Гольдберг А.М., Галямичев В.А. Тепловой расчет четырехтактного двигателя: Методич. указ. для студентов лесомеханического факультета спец. 0519. Л., 1985.

4. Васильев В.Н., Куликов М.И., Фрейндлинг А.Ф. Тяговые расчеты лесных машин с использованием ЭВМ: Учебн. пособие. Петрозаводск, 1988.

5. Автомобильные и тракторные двигатели. (Теория, системы питания, конструкции и расчет)/ Под ред. И.М. Ленина. Учебник для вузов по специальности «Автомобили и тракторы». М.: Высш. шк., 1969.

6. Конструкция и расчет автотракторных двигателей. Учебник для высших технических учебных заведений/ под ред. проф. Ю.А. Степанова. М.: Машгиз, 1957.

7. Автомобильные и тракторные двигатели.: В 2 ч. Конструкция и расчет двигателей/ под ред. И.М. Ленина. Учебник для вузов. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Высш. шк., 1976.

8. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей./ Учебник для студентов вузов/ под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980.

9. Архангельский В.М. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1973.

10. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высш. шк., 1971.

Размещено на http:\\www.allbest.ru\