Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 ... 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20

гребной винт постоянного шага, работающий в среде постоянной плотности. В этом случае связь между моментом, необходимым для вращения винта, и числом его оборотов с достаточной точностью представляется квадратичной

зависимостью М„=Ьп, а мощность-кубической параболой =ап.

Все установившиеся режимы работы двигателя на винт должны представляться той же параболой, а точки графика двигателя, не лежащие на ней, могут представлять работу двигателя лишь при переходе с одного режима на другой.

Во многих случаях требуется постоянство числа оборотов вала первичного потребителя энергии двигателя. Так, например, при работе двигателя на электрогенератор, питающий сеть, в которую включены электродвигатели и осветительные установки, требуется, чтобы независимо от количества потребляемой эпергии (нагрузки) напря-жение тока поддерживалось примерно постоянным Это достигается поддержанием в практически достижимом интервале постоянного числа оборотов. Постоянства числа оборотов требует в ряде случаев также привод машин, например, компрессоров, насосов и т. д Как видно из фиг. 258. различные мощности при том же числе оборотов получаются при различных положениях органа управления. Поддержание скоростного режима достигается установкой на двигателе регулятора, реагирующего, на изменение числа оборотов и переставляющего орган управления двигателя так, чтобы новый установившийся режим получался при почти постоянном числе оборотов.

Такие условия работы двигателя называются стационарны.ми На графике, на котором по оси абсцисс отложено относительное число оборотов - (отношение данного числа оборотов к номинальному), а по оси

Транспортные

условия рабо ты

Фиг. 259. Возможные установивишес работы двигателей различного назначения.

Ординат - относительная мощность -гт-- (отношение данной мощности

е ной

К номинальной), все возможные рабочие режимы двигателя в стационарных условиях работы могут быть изображены вертикальной линией, про-

ходящей через значение абсцисс

= 1. Конечной точкой этой прямой

является значение относительной мощности, соответствующее максимальной мощности, которую может развить двигатель при заданном скоростном режиме (фиг. 259). Обычно для двигателя, используемого в стационарных условиях, номинальная мощность назначается так, чтобы он имел возможность воспринимать кратковременную перегрузку, т. е. развивать мощность больше номинальной (на 10-15%).

Работа на режимах, не укладывающихся на данной прямой, является для двигателя пе характерной. Такие режимы возможны, например, при пуске, когда происходит разгон двигателя от числа оборотов, равного нулю, до номинального скоростного режима, или при резкой перегрузке, когда мощность, поглощаемая потребителями, превосходит максимальную мощность, которую может развить двигатель при номинальном числе оборотов, при этом число оборотов коленчатого вала резко снижается.

При работе на гребной винт, вращающийся в среде постоянной плотности, все рабочие установившиеся режимы двигателя укладываются на кубической параболе (фиг. 259), причем эта парабола ограничена тем зна-

чением мощности, которое соответствует максимальной мощности при соответствующем числе оборотов, и минимальным устойчивым числом оборотов вала двигателя.

Возможные режимы работы двигателя, работающего в транспортных условиях, изображены иа графике (фиг. 259) площадью, сверху ограниченной кривой, дающей связь между максимальной мощностью двигателя и числом оборотов, снизу - осью абсцисс, справа - максимально допустимым числом оборотов и слева - кривой минимальных устойчивых чисел оборотов.

§ 2. ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ

Для оценки двигателя при работе его в различных условиях необходимо задавать зависимость показателей его работы (мощности, крутящего момента, расхода топлива и т. д.) от изменения одной из основных величин, характеризующих его режим (число оборотов, нагрузка и т. д ). Такие зависимости называются характеристиками двигателя.

Характеристики, дающие зависимость параметров работы двигателя от числа оборотов коленчатого вала, называются скоростными характеристиками.

Одной из основных характеристик является связь между максимально возможной мощностью двигателя и числом оборотов вала. Эта характеристика ограничивает поле возможных режимов двигателя и называется абсолютной внешней скоростной характеристикой мощности двигателя. Вместо мощности зависимой переменной можно также выбрать среднее эффективное давление или пропорциональный ему крутящий момент двигателя.

Согласно формулам (154) и (167),

= 0.503 V..

Для двигателя, работающего при определенных условиях на впуске на заданном топливе, величины, определяющие состояние свежего заряда (р^ и TJ и род топлива {H и Lo), можно отнести к числовому коэффициенту. Вследствие этого для работы на жидком топливе

Ре=У1у~П,г (325)

Из четырех переменных, входящих в это равенство, коэффициент наполнения f\y характеризует зарядку цилиндра, ~--рабочий процесс

и Tj-относительную величину внутренних потерь энергии при передаче ее от цилиндра двигателя к потребителю. В свою очередь,

у^ = Р'-~ = \--Р^-. (326)

Р- Р' Лг,

Среднее давление потерь при данном числе оборотов вала мало зависит от нагрузки двигателя. При увеличении произведения т\у ~ и постоянном значении р^ механический к. п. д. увеличивается. Максимальное дости-

Если максимальное число оборотов вала не ограничено условиями прочности деталей двигателя и т. п., кривая максимальных мощностей плавно опускается до нуля (штриховая кривая на фиг. 259).

жимое значение р^, соответствующее любой точке абсолютной внешней характеристики, определяется, таким образом, условием получения максимального значения произведения т\у Коэффициент наполнения т^у

связан с рабочим процессом двигателя (например, через подогрев заряда и давление выпуска в четырехтактном двигателе), но эта зависимость слабо выражена и, как правило, суждение о максимальном достижимом среднем эффективном давлении можно получить, рассматривая отдельно условия получения максимальных значений tij и П./а.

В капбюраторных двигателях мощность регулируется воздействием на коэффициент наполнения путем изменения сопротивления на впуске

Начало недого-

Начало недоеорания

а) - 6)

Фиг. 260. Условия получения режима абсолютной внешней характеристики по рабочему процессу;

а - карбюраторный двигатель; б - двигатель с воспламенением от сжатия.

перестановкой дроссельной заслонки. Максимальный коэффициент наполнения получается в карбюраторном двигателе при полном открытии дроссельной заслонки.

Условия получения максимального отношения -ц./а для карбюраторного двигателя показаны на фиг. 260, а.

Как известно, однородная смесь испаренного топлива и воздуха имеет определенные пределы горючести, вне которых смесь не горит. Эти пределы ограничивают сравнительно узкий диапазон воз.можных изменений коэффициента избытка воздуха карбюраторного двигателя. Кривая индикаторного к. п. д. карбюраторного двигателя стремится к нулевому значению при коэффициентах избытка воздуха, соответствующих обоим пределам горючести, достигая максимума при некотором промежуточном значении коэффициента избытка воздуха, близком к единице.

Этот максимум лежит обычно при значении а, несколько большем единицы. Недогорание топлива, когда в отработавших газах появляются продукты неполного сгорания, начинает замечаться при коэффициенте избытка воздуха, большем единицы ( = 1,03-4- 1,05). Максимум же кривой ti,./а соответствует значению 0,85 -f- 0,90.

Работа с небольшим недостатком воздуха не ухудшает рабочего процесса, так как скорость сгорания смеси достигает максимума при а = = 0,85 ч- 0,90. Продукты неполного сгорания топлива в карбюраторном двигателе при не слишком большом недостатке воздуха состоят в основном из окиси углерода и водорода, бесцветных, без запаха и не дающих нагара.

Аналогичные условия получения максимального значения отношения Tj/a получаются и для газовых двигателей. Разница заключается обычно в несколько большем диапазоне возможных коэффициентов избытка

воздуха, причем главным образом вследствие увеличения этого параметра, соответствующего нижнему пределу горючести, и смещению в том же направлении значений а соответствующих максимуму индикаторного к. п. д. и максимуму отношения tj/q:.

В двигателях с воспламенением от сжатия принцип воспламенения капель топлива в воздухе приводит к тому, что. пределов горючести практически нет. Цикл смешанного сгорания обусловливает увеличение термического к, п. д. с уменьшением количества тепла, подведенного на единицу количества рабочего тела. Поэтому кривая индикаторного к. п. д. показывает увеличение tj. с увеличением коэффициента избытка . Начало недогорания наблюдается при коэффициенте избытка воздуха большем, чем в карбюраторных двигателях, так как коэффициент избытка воздуха считается как средний для всего количества топлива и воздуха, участвующих в данном цикле, в то время как из-за неравномерности состава горючей смеси появление продуктов неполного сгорания обусловлено недостатком воздуха в каком-либо одном месте камеры сгорания.

С момента начала недогорания дальнейшее уменьшение коэффициента избытка воздуха, естествеино, ведет к ускорению падения индикаторного к. п. д., что видно из фиг. 260, б.

В двигателях с воспламенением от сжатия неполнота сгорания в основном выражается появлением в отработавших газах сажи, дающей темную окраску газам. Отработавшие газы двигателя, работающего при неполном сгорании, обладают неприятным запахом, загрязняют атмосферу и, кроме того, представляют опасность для двигателя из-за отложений нагара в камере сгорания и возможности перегрева, так как процесс сгорания в этом случае захватывает значительную часть хода расширения.

Работу двигателя в эксплуатации с явно выраженым дымным выпуском - педогоранием допускать нельзя. Поэтому, хотя отдельные точки абсолютной внешней характеристики и могут быть получены при экспериментах, в обычных эксплуатационных условиях нагрз^зочный режим до абсолютной внешней характеристики доводиться не должен, и последнюю необходимо рассматривать как лежащую за пределами эксплуатационных рабочих режимов.

Дополнительными условиями получения абсолютной внешней характеристики являются наивыгоднейшие значения всех остальных параметров, влияющих на работу двигателя, как, например, опережение зажигания или впрыска, температура охлаждающего агента и т. д.

Таким образом, абсолютная внешняя характеристика может быть рабочей для карбюраторных двигателей, и в эксплуатационных условиях нет принципиальных причин, которые препятствовали бы работе Двигателя на режимах, определяющих ее, в то же время назначать двигателю с воспламенением от сжатия в эксплуатационных условиях режимы, соответствующие абсолютной внешней характеристике, не следует.

В эксплуатации и при экспериментах поддержание оптимальных значений всех параметров, определяющих абсолютную внешнюю характеристику, крайне затруднительно.

Для практического использования двигателя имеет значение знание зависимости максимальной мощности двигагеля или среднего эффективного-давления от числа оборотов вала без обеспечения получения оптимальных значений второстепенных факторов (опережение зажигания или впрыска, температура охлаждающей воды и т. п.), но при соблюдении основного условия, определяющего получение максимальной мощности (например, полное открытие дроссельной заслонки в карбюраторных двигателях). Такие характеристики называются эксплуатационными внешними скоростными характеристиками двигателе

или, короче, внешними скоростными характеристиками.

Практически возможным пределом уменьшения коэффициента избытка воздуха в двигателях с воспламенением от сжатия следует рассматривать появление явно выраженных признаков ухудшения протекания процесса, чаще всего выражающегося появлением дыма в отработавших газах (недогорание топлива).

Если по оси ординат нанести мощности или средние эффективные давления, соответствующие появлению дыма в отработавших газах, а по оси абсцисс число оборотов вала двигателя, то полученную кривую можно назвать скоростной характеристикой предела дымления.

Вид абсолютной внешней характеристики и характеристики предела дымления двигателя с воспламенением от сжатия определяется характером изменения величин г^у, f\./oc и tjj с изменением числа оборотов вала.

Величина отношения ъ/сс, соответствующая условию абсолютной внешней характеристики или характе-pHQTHKH предела дымления, с изменением скоростного режима обычно меняется в сравнительно узких пределах, со слабо выраженным максимумом в пределах рабочих скоростных режимов. В двигателях с воспламенением от сжатия пределы изменения величины tj./g: больше, чем у карбюраторных двигателей. .Коэффициент наполнения двигатспя -Цу зависит в основном от скорости газов при впуске и

выпуске Чем выше скорость, тем меньше коэффициент наполнения. Только при малом числе оборотов вала можно наблюдать некоторое повышение коэффициента наполнения с увеличением числа оборотов, объясняющееся несоответствием фактических фаз распределения оптимальным на этом скоростном режиме.

Кривая коэффициента наполнения для условий рассматриваемых характеристик показана на фиг 261.

В выражении для механического к. п. д. (326) среднее давление внутренних потерь растет с увеличением числа оборотов, в то время как произведение, стоящее в знаменателе второго члена правой части уравнения, согласно предыдущему, уменьшается с повышением скоростного режима. Отсюда ясно, что и величина механического к. п. д. должна также уменьшаться с увеличением числа оборотов.

Таким образом, из уравнения (325) следует, что среднее эффективное давление уменьшается с повышением скоростного режима, причем только при малых числах оборотов может наблюдаться некоторое его увеличение.

Соответствующие изменения давления р^ по абсолютной внешней характеристике и характеристике предела дымления нанесены на фиг. 262.

Зная зависимость р^ ~ f(n), можно найти связь мощности с числом оборотов, так как

My-f- ЯмУип

Фиг. 261 Зависимость коэффициента наполнения механического к. п. д. и фактора т] ll а при работе по абсолютной внешней характеристике.

225т

225т

(327)

Дальнейшие рассуждения приведены для четырехтактных двигателей, как имеющих преимущественное применение на транспортных машинах.

а) 5)

Фиг. 262. Внешние характеристики:

а - карбюраторный двигатель; б - двигатель с воспламенением от сжатия; / - абсолютная характеристика; 2 - характеристика предела дымления.

В карбюраторных двигателях также предусмотрен упор, препятствующий повороту дроссельной заслонки за положение, соответствующее полному ее открытию.

Из ЭТОЙ формулы следует, что мощность растет с увеличением числа оборотов только до тех пор, пока влияние увеличения числа оборотов сильнее, чем влияние падения среднего эффективного давления. Так как с некоторого числа оборотов среднее эффективное давление начинает падать и тем быстрее, чем больше число оборотов, то должен получаться скоростной режим, при котором мощность достигает максимума. В карбюраторных автомобильных двигателях (фиг. 262) этот максимум обычно соответствует числу оборотов, несколько меньшему номинального. Абсолютные внешние характеристики мощности и среднего эффективного давления и соответствующие характеристики предела дымления для двигателей с воспламенением от сжатия нанесены на фиг. 262, б.

Изменение условий работы карбюраторного двигателя при переходе от абсолютной внешней характеристики кэксплуа-таЩ'Юнной обычно не настолько значительно, чтобы резко изменить характер протекания соответствующих кривых.. Эксплуатационная внешняя скоростная характеристика, как правило, имеет тот же вид, что и абсолютная внешняя характеристика, но лежит несколько ниже ее.

В двигателях с воспламенением от сжатия водитель воздействует на подачу только топливного насоса. Топливные насосы этих двигателей, как правило, подбираются со значительным запасом (обычно двойным). Если не принять особых мер, водитель может нажатием на педаль установить подачу топлива в цилиндр в количестве, намного превышающем то, которое может полностью сгореть. Поэтому в транспортных двигателях механически ограничивают перемещение регулирующего органа насоса в сторону увеличения подачи путем установки упора Ч

Таким образом, максимальные мощность и среднее эффективное давление двигателя, которые могут быть достигнуты в условиях эксплуатации, получаются при установке регулирующего органа на упоре в неизменном положении. Этим условием определяется эксплуатационная внешняя скоростная характеристика транспортного двигателя с воспламенением от сжатия.

Изменение подачи топлива на цикл при фиксированном положении регулирующего органа зависит от свойств топливного насоса и топливоподающей системы в целом. В настоящее время большая часть транспортных двигателей снабжается топливоподающей аппаратурой, характеризующейся тем, что при постоянном положении регулирующей рейки подача насоса несколько растет с увеличением числа оборотов вала.

Вид эксплуатационной внешней характеристики двигателя с воспламенением от сжатия легче выяснить, если ввести в уравнение (325)

величину весовой подачи топлива на цикл, пользуясь соотношением

где Те - удельный вес воздуха в условиях окружающей среды; Iq - теоретически необходимое количество воздуха в кг1кг. Подстановка последнего выражения в уравнение (325) дает

(328)

llilllm

В этом выражении величины, постоянные для данного двигателя, работающего на определенном топливе при заданных условиях окружающей среды, вместе с коэффициентом А объединены новой постоянной С.

Из формулы (328), в которой величина при работе по внешней характеристике, как правило, несколько возрастает с увеличением числа оборотов, а ti, (так как по условию все точки разбираемой характеристики лежат в области полного сгорания топлива) может меняться лишь в узких пределах, следует, что и величина р^ должна иметь меньшие изменения с изменением числа оборотов, чем при работе двигателя по абсолютной внешней характеристике или по характеристике предела дымления. Соответственно и эксплуатационная внешняя характеристика мощности имеет меньшую выпуклость, чем характеристика предела дымления, и в большинстве случаев до максимума не доходит. Типичный вид эксплуатационной внешней характеристики быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия показан на фиг. 263 совместно с соответствующими характеристиками предела дымления.

При работе двигателя по эксплуатационной внешней характеристике уменьи1ение числа оборотов вала от максимальной величины вызывает, согласно предыдущему, уменьшение количества топлива (объясняется свойствами топливного насоса) и увеличение количества воздуха (из-за з^вели-чения коэффициента наполнения), поступающих в двигатель за цикл. В результате увеличивается коэффициент избытка воздуха, что указывает на то, что при таком изменении скоростного режима условия работы двигателя отдаляются от предела дымления, и на пониженных числах оборотов остается неиспользованной часть располагаемой .мощности и среднего эффективного давления двигателя

Пеиспользованные мощность и среднее эффективное давление отмечены на фиг. 263 вертикальной штриховкой.

Фиг 263 Характеристика предела дымления и эксплуатационная внешняя характеристика двигателя с воспламенением от сжатия:

/ - характеристика предела дымления; 2 - эксплуатационная внешняя характеристика.

§ 3. ЧАСТИЧНЫЕ СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

Связь между мощностью или средним эффективным- давлением двигателя и числом оборотов его вала при постоянном положении органа управления, сдвинутого в сторону уменьшения подачи топлива или смеси, называется частичной скоростной характеристикой двигателя.

В двигателе с посторонним зажиганием прикрытие дроссельной заслонки увеличивает сопротивление впускной системы. Поэтому каждому положению дроссельной заслонки соответствует своя зависимость коэффициента наполнения от числа оборотов.

Приближенно связь между коэффициентом наполнения и числом оборотов при различных положениях дроссельной заслонки может быть определена из следующих соображений Как указано выше (стр. 292), между коэффициентом наполнения тц и разрежением во впускной трубе после дроссельной заслонки Др каждого двигателя может быть принята однозначная линейная зависимость

(329)

Секундный весовой расход воздуха через дроссельную заслонку

где iJ- и - коэффициент расхода и проходное сечение у дроссельной заслонки;

Ро и Vf, - давление и удельный объем воздуха при атмосферных условиях;

о

\P J \Рг> J

Графическая связь между величинами < и - дана на фиг. 95.

Для четырехтактного двигателя

е- 120

Сопоставление двух выражений для секундного расхода воздуха дает

Если ввести в последнюю формулу относительное открытие дросеель-

1где (v-Jd)Q - проходное сечение у дроссельной

ной заслонки <f =

Ыд)о

заслонки при полном ее открытии J и относительный скоростной режим v = п

I20f (.хй/й)о Yir Ф^о

= к

(330)

где А =- oiojvr ао--величина постоянная для данного двигателя

при заданных условиях атмосферы.

Исключение из уравнений (329) и (330) величины Др, для получения функции 1/ = / (ф, v) в алгебраической форме затрудняется сложностью связи ф с разрежением Др,..- Результаты численного подсчета показаны на фиг. 264.

Из фиг. 264 видно, что по мере прикрытия дроссельной заслонки (уменьшение параметра <f) коэффициент наполнения с увеличением числа

оборотов коленчатого вала падает все резче, однако до нуля коэффициент наполнения не уменьшается, асимптотически приближаясь к этому значению при малых проходных сечениях у дроссельной заслонки.

Увеличение разрежения за дроссельной заслонкой до значения, превышающего то, при котором отношение pjp, становится равным критическому, приводит к постоянству величины () = В этом случае т\у =

а при постоянном положении дроссельной заслонки tiy =

Фиг. 264. Изменение коэффициента нанол-нения в зависимости от положения дроссельной заслонки.

где Kl = Кф,пах9 - новая постоянная. Вследствие этого зависимость коэффициента наполнения от числа оборотов при малых значениях fiy графически выражается равнобокой гиперболой.

Значение fiy, соответствующее переходу на гиперболическую зависимость (фиг. 264), определяется по критическому отношению давлений () ~ 0,528. Это значение т\у

нанесено на фиг. 264 штриховой линией.

При малых числах оборотов различие в проходных сечениях у дроссельной заслонки мало отражается на коэффициенте наполнения, и при стремлении числа оборотов к н5лю это влияние становится исче-зающе малым, так как нри наличии даже небольшого проходного сече-кия у дроссельной заслонки скорость воздуха в нем стремится к

нулю. Поэтому кривые fiy = f{n) при всех положениях дроссельной заслонки стремятся к одной точке, лежащей на оси ординат (фиг. 264).

В выражении (325) влияние коэффициента наполнения по мере прикрытия дроссельной заслонки становится все более резко выраженным, определяя зависимость среднего индикаторного давления от числа оборотов.

Выражение механического к. п. д. (326) показывает, что при прикрытой дроссельной заслонке величина т; падает тем быстрее, чем больше она прикрыта, так как среднее давление внутренних сопротивлений так же, как и при полном открытии дроссельной заслонки, растет с з^еличением числа оборотов, а знаменатель с ростом того же фактора падает и тем быстрее, чем сильнее прикрыта дроссельная заслонка. При значите.оьно прикрытой дроссельной заслонке падение среднего индикаторного давления

настолько быстро, что уже при п< /2 величина Рм Pt v ~

и т] = 0. Таким образом, зависимость механического к. п. д. от числа оборотов коленчатого вала при различных положениях дроссельной заслонки должна иметь вид, показанный на фиг. 265. Поэтому и зависимость среднего эффективного давления от числа оборотов при прикрытой дроссельной заслонке должна выражаться все более крутым падением по мере прикрытия дроссельной заслонки (фиг. 266). При сильно прикрытой дроссельной заслонке холостой ход (pg = 0) должен получаться при числах оборотов, меньших номинального. В этом случае с прикрытием дроссельной заслонки максимум мощности сдвигается в сторону меньших чисел оборотов (фиг. 267).

Режимы, при которых р^ = О, соответствуют = 0. С уменьшением числа оборотов коленчатого вала кривые при различных положениях дрос-

24 Орлин и др. 2146

фиг. 265- Изменение механического к. п. д. в зависимости от положения дроссельной заслонки:

/ - полностью открытая дроссельная заслонка; 2 - прикрытая дроссельная заслонка.

Фиг. 266. Скоростные характеристики крутян1его момента и среднего эффективного давления карбюраторного двигателя:

/ - внешняя; 2 - частичная.

Для двигателей с воспламенением от сжатия частичные характеристики получаются при подачах Ag меньших, чем подачи, соответствующие внешней характеристике, вследствие смещения рейки насоса в сторону уменьшения подачи. Для каждой частичной характеристики положение рейки неизменно.

Работа с меньшими подачами топлива за цикл по сравнению с подачами, соответствующими внешней характеристике, приводит к увеличению коэффициента избытка воздуха, так как подача

/Ш 2000 2W0pOff/m.)

Фиг. 268 Экспериментальные вненшяя и частичные характеристики карбюраторного двигателя.

Фиг 267. Скоростные характеристики моншосги карбюраторного .двигателя

I - внешняя; 2 - частичная; 3 - режим холостого хода; 4 - но-минальный режим

воздуха пе регулируется, а уменьшение нагрузки ведет к уменьшению подогрева впускаемого воздуха вследствие чего получается некоторое, хотя и незначительное, увеличение коэффициента наполнения. Поэтому по мере сдвига рейки топлишюго насоса в сторону уменьшения подачи топлива на цикл индикаторный к. п. д. должен увеличиваться, но незначитедьно.

сельной заслонки должны сходиться. Следовательно, частичные характеристики мощности должны иметь вид, показанный на фиг. 267. На фиг. 268 изображены экспериментальные внешние и частичные характеристики мощности и среднего эффективного давления карбюраторного двигателя.

1 ... 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20