МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) В.В. СИНЯВСКИЙ, С.А. ПРИШВИН, М.Г. ШАТРОВ ТЕОРИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВС 3 МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) Кафедра теплотехники и автотракторных двигателей В.В. СИНЯВСКИЙ, С.А. ПРИШВИН, М.Г. ШАТРОВ ТЕОРИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВС УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ МОСКВА МАДИ 2023 4 УДК 621.43.044-4:[62-631.2+62-621.2] ББК 39.35 Утверждено в качестве учебно-методического пособия редсоветом МАДИ Авторский коллектив: В.В. Синявский, С.А. Пришвин, М.Г. Шатров, В.И. Мельников, П.В. Душкин, А.В. Александров, Э.А. Савастенко Теория рабочих процессов. Характеристики ДВС: учебно-методическое пособие / В.В. Синявский и др. – М.: МАДИ, 2023. – 148 с. Основной целью учебно-методического пособия является усвоение и закрепление знаний по теории рабочих процессов поршневых двигателей внутреннего сгорания, а также получение практических навыков в организации и проведении стендовых испытаний двигателей. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов специальности 13.03.03 «Двигатели внутреннего сгорания», выполняющих лабораторные работы при изучении дисциплины «Теория рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания», а также для студентов других специальностей МАДИ, в учебных планах которых предусмотрены курсы или их разделы по теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. УДК 621.43.044-4:[62-631.2+62-621.2] ББК 39.35 © МАДИ, 2023 г. 5 ВВЕДЕНИЕ Данное издание учебно-методического пособия базируется на первом и втором изданиях методических указаний (1991 и 2006 г.), написанных преподавателями кафедры: В.Н. Жабиным, В.И. Мельниковым, К.А. Морозовым, С.Е. Никитиным, С.А. Пришвиным, П.В. Сафроновым, В.В. Синявским, А.А. Сироткиным, А.С. Хачияном, Б.Я. Черняком. Новый формат учебно-методического пособия обусловлен изменением требований федеральных государственных образовательных стандартов, использованием нового оборудования для экспериментальных исследований и современных двигателей внутреннего сгорания, а также изменением применяемых методик экспериментальных исследований ДВС. На кафедре в корне изменилась организация проведения лабораторных работ: студенты всех специальностей, кроме специальности ДВС, первые работы проводят на стенде, остальные работы выполняют в компьютерном классе с использованием разработанного на кафедре виртуального компьютерного практикума, использующего математические модели современного двигателя с электронным управлением и впрыскиванием бензина, а также дизеля с турбонаддувом. Такая организация лабораторных работ является частью разработанного коллективом кафедры компьютерного Интегрированного обучающего комплекса «ДВС» и обеспечивает большие преимущества: сокращаются время и материальные затраты при одновременном значительном расширении спектра решаемых задач и обеспечении индивидуализации обучения. В процессе лабораторных работ студенты знакомятся с оборудованием и оснащением испытательных стендов, методиками проведения стендовых испытаний двигателей, осваивают правила обработки и оформления результатов испытаний, а также составления технического отчета. 6 Одной из главных и наиболее трудных задач, решаемых при выполнении лабораторных работ, является анализ результатов испытаний, т. е. раскрытие закономерностей протекания полученных опытных показателей двигателя при изменении регулировочных или режимных параметров (состав горючей смеси, угол опережения зажигания, нагрузка, частота вращения и т. п.). Это возможно лишь на основе знаний теории рабочих процессов, излагаемой в рекомендованных учебниках и в лекционных курсах. Учебно-методическое пособие не подменяет рекомендованные учебники или лекционные курсы и не содержит полной информации по соответствующим вопросам теории рабочих процессов. Представленные в нем первичные знания, необходимы для понимания полученных результатов испытаний. 7 1. ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТУРА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 1.1. Общее устройство стенда для испытания двигателей Испытания двигателей в лабораторных условиях проводят на специальных испытательных стендах. Стенд представляет собой установку, состоящую из различных систем, устройств и приборов для обеспечения работы двигателя, изменения и поддержания режима испытания, а также необходимых измерений. Принципиальная схема испытательного стенда, применяемого в учебной лаборатории МАДИ, приведена на рис. 1.1. Рис. 1.1. Схема стенда для испытаний двигателей внутреннего сгорания Стенд содержит массивный фундамент 1, изолированный от пола 17 и стен здания для предотвращения передачи на стены вибраций, возникающих при работе двигателя. На фундаменте укрепляется специальная подмоторная плита 2, на которой размещаются тормоз 3 и испытываемый двигатель 7. Конструкция 8 подмоторных стоек 18 обеспечивает возможность установки двигателей различных конструкций. Стенд оснащен следующими основными системами и устройствами. Пульт управления 16 служит для размещения в нем указателей измерительных приборов, а также органов дистанционного управления двигателем, тормозной установкой и измерительных устройств. Пульт управления находится в звукоизолированном помещении. Наблюдение за работой двигателя и тормозной установки осуществляется через смотровое окно. Тормозная установка имитирует потребителя энергии, развиваемой испытываемым двигателем, и предназначена для ее поглощения, измерения крутящего момента с помощью датчика силы 4, а также для регулирования и стабилизации режимов испытаний. Кроме того, эта установка используется для пуска двигателя, а также прокручивания коленчатого вала неработающего двигателя с различной частотой с целью определения его механических (внутренних) потерь. Основными элементами тормозной установки являются собственно моторный тормоз 3, а также преобразователь тока 5 называемый умформером. Система выпуска служит для удаления отработавших газов в атмосферу за пределы испытательного помещения и глушения аэродинамического шума выпуска. Систему образует газопровод 6, на конце которого размещен глушитель 8 в ресивере 9 и отводная труба 10. Температура отработавших газов tr измеряется с помощью термоэлектрического термометра (термопары), установленного в выпускном трубопроводе, и соответствующего указателя tr. Система охлаждения предназначена для изменения и стабилизации теплового режима двигателя. При испытаниях двигателя в стендовых условиях радиатор штатной системы охлаждения обычно не устанавливают, и его функции выполняет теплообменник 13, через холодный контур которого циркулирует водопроводная вода. Для измерения температуры охлаждающей жидкости tw на выходе из двигателя установлен термометр 9 сопротивления с соответствующим указателем температуры на пульте. Температура масла в картере двигателя tм также измеряется термометром сопротивления с указателем температуры на пульте. Постоянная температура масла и охлаждающей жидкости поддерживается автоматическими устройствами стенда. Система воздухоснабжения служит для фильтрации, подачи и измерения расхода воздуха, потребляемого двигателем. Она содержит объемный расходомер воздуха 12 и ресивер 11 с резиновой мембраной для сглаживания пульсаций расхода воздуха, вызываемых периодическими процессами впуска воздуха в цилиндры двигателя. Температура поступающего воздуха tв, необходимая для расчета его массового расхода, измеряется с помощью установленного на входе в расходомер термометра сопротивления с соответствующим указателем температуры на пульте. Система подачи топлива предназначена для питания двигателя топливом и измерения его массового часового расхода Gт. Она содержит топливный резервуар 15 и расходомер 14 с указателем на пульте величины Gт. 1.2. Тормозная установка При стендовых испытаниях для создания внешней нагрузки двигателей используются электрические, гидравлические и комбинированные тормозные установки (далее – тормоза). Они должны отвечать следующим требованиям: полное поглощение мощности, развиваемой испытываемым двигателем на всех режимах его работы; возможность плавного бесступенчатого регулирования режима в широком диапазоне нагрузки и частоты вращения вала двигателя; устойчивость режима торможения при неизменном положении органов регулирования; возможность прокручивания двигателя с любой частотой вращения; 10 возможность дистанционного управления. В лаборатории МАДИ используется электрический тормоз постоянного тока с балансирной подвеской (рис. 1.2). Он содержит статор (корпус) 1 и якорь (ротор) 2. Вал ротора связан упругой муфтой 5 с коленчатым валом двигателя и вращается вместе с ним в подшипниках 3. Корпус установлен в подшипниках 4, расположенных на стойках 7 так, чтобы он мог легко покачиваться вокруг оси вращения ротора, имея балансирную подвеску. Рис. 1.2. Схема балансирного электротормоза постоянного тока Принцип работы тормоза основан на взаимодействии магнитных полей якоря и статора, вызывающем сопротивление вращению якоря, т. е. торможение. При работе ДВС корпус увлекается в направлении вращения ротора. По величине усилия P, с которым он стремится повернуться в подшипниках 4, и плеча L динамометра 6, рассчитывают значение крутящего момента двигателя Мк. Поглощение мощности испытываемого двигателя, т. е. его торможение, происходит за счет того или иного вида взаимодействия между ротором и статором тормоза в составе тормозной установки с машиной постоянного тока. Важным преимуществом электрического тормоза является его обратимость. Он может работать в качестве генератора, поглощая вырабатываемую двигателем механическую энергию, превращая ее в электрическую и отдавая в электрическую сеть. Тормоз также может работать как электродвигатель, потребляя электрическую 11 энергию, превращая ее в механическую, прокручивая коленчатый вал для запуска испытываемого двигателя или определения момента механических потерь. Умформер обеспечивает преобразование трехфазного тока в постоянный и наоборот. 1.3. Измерительные устройства и аппаратура Измерительные устройства и аппаратура должны отвечать требованиям ГОСТ 14846-2020 на испытания автомобильных двигателей. Измерение крутящего момента В процессе торможения ДВС тормозом с балансирной подвеской в результате электрического взаимодействия ротора и статора последний стремится повернуться вслед за ротором (рис. 1.2). На статоре создается реактивный момент, который на установившемся режиме равен крутящему моменту испытываемого двигателя. Этот момент может быть измерен с помощью силоизмерительного устройства – динамометра 6 (рис. 1.2), позволяющего определить величину силы Р на плече L, которое для удобства расчетов принимается равным 1 м. По ГОСТ 14846-2020 погрешность измерения крутящего момента не должна превышать 0,5% от номинального значения. Измерение частоты вращения коленчатого вала Частоту вращения вала двигателя измеряют с помощью тахометров. Принцип работы используемого в лаборатории тахометра основан на преобразовании угловой скорости вращения в электрические импульсы и измерении количества импульсов за заданный интервал времени (рис. 1.3). 12 Рис. 1.3. Принцип измерения частоты вращения На валу тормоза установлен стальной диск с 60 зубцами, который работает в паре с электромагнитным преобразователем. При прохождении зубца у сердечника преобразователя в катушке последнего индуктируется электродвижущая сила (ЭДС) и возникают электрические импульсы, частота которых пропорциональна скорости вращения зубчатого диска. По ГОСТ на испытания двигателей погрешность при измерении частоты вращения не должна превышать 0,5% от текущего значения частоты вращения. Измерение расхода топлива В учебной лаборатории МАДИ при испытаниях двигателя часовой расход топлива определяют с помощью автоматизированного расходомера, измеряющего расход дозы топлива массовым способом. Расход топлива Gт зависит от рабочего объема двигателя, частоты вращения и нагрузки. Система автоматически определяет время измерения, чтобы оно находилось в пределах 30…60 секунд. Большее время измерения приведет к увеличению длительности испытаний, а меньшее – к снижению точности. По действующим ГОСТ на испытания автомобильных и тракторных двигателей допустимая погрешность при измерении расхода топлива не должна превышать 1% от максимальной величины. 13 Измерение расхода воздуха Для измерения расхода воздуха, потребляемого двигателем, используются объемные расходомеры роторного типа (рис. 1.4). Под действием перепада давлений на входе в расходомер и выходе из него роторы-поршни, кинематически связанные между собой шестернями и имеющие в поперечном сечении форму восьмерки, вращаясь, отмеряют за пол-оборота определенный объем воздуха (мерный объем). За один оборот роторов дважды происходит наполнение каждой из мерных полостей и дважды – выталкивание из них воздуха. Для измерения количества прошедшего через расходомер воздуха необходимо подсчитать число оборотов вала одного из роторов за определенный промежуток времени и умножить на удвоенную величину мерного объема. Измерение частоты вращения роторов производится аналогично измерению частоты вращения тормоза. После преобразований на цифровом индикаторе высвечивается величина часового объемного расхода воздуха Vв в м3/ч. Часовой массовый расход воздуха Gв определяется с учетом его плотности по известным зависимостям. Рис. 1.4. Расходомер воздуха Гидравлическое сопротивление такого расходомера составляет 10…30 мм водяного столба и практически не отражается на показателях двигателя. Погрешность в измерении расхода воздуха по действующему ГОСТ на испытания двигателей не должна превышать 2% от номинальной величины. 14 Измерение температуры Термометры сопротивления Для измерения температуры жидкости в системе охлаждения, масла в картере двигателя и воздуха, поступающего в двигатель, обычно применяют термометры сопротивления. Принцип их работы основан на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. Для изготовления термометров сопротивления применяют тонкую (0,2…0,5 мм) платиновую или медную проволоку. Конструктивно датчик представляет собой пластинку из диэлектрика (слюды, стекла, текстолита), на которую наматывается проволока. Пластинка с обмоткой помещается в тонкий латунный корпус и устанавливается в измеряемую среду. Чтобы судить о температуре, измеряемой термометром сопротивления, необходимо определить его электрическое сопротивление Rt. Диапазон измерения температуры платиновых термометров 200…+500°С, а медных 50…+150°С. Термоэлектрические термометры – термопары Термоэлектрические термометры основаны на использовании термоэлектрического эффекта: возникновении термоэлектродвижущей силы при нагреве места спая двух проводников из разнородных металлов или сплавов, обусловленной различием в скоростях и энергиях свободных электронов в различных металлах. Для измерения температуры отработавших газов двигателей обычно применяют: термопары хромель-алюмель (измерения до 1000°С) и хромель-копель (измерения до 500°С). По действующим ГОСТ на испытания двигателей погрешность измерения температуры допускается в пределах: отработавших газов – ±(10...20°С); охлаждающей жидкости и масла – ±(2...3°С); потребляемого воздуха – ±1°С. 15 Определение содержания компонентов отработавших газов К числу определяемых компонентов отработавших газов (ОГ) относятся: оксид углерода СО, диоксид углерода СО2 (углекислый газ), углеводороды СН и оксиды азота (условное обозначение NOх). Для определения их содержания в отработавших газах применяются специальные газоанализаторы. Определение содержания СО и СО2, а иногда и СН в ОГ осуществляется инфракрасным методом, основанном на поглощении инфракрасного излучения исследуемым газом. Многоатомные газы, имеющие хотя бы два разнородных атома в молекуле (СO2, H2O, СО, СН и др.), обладают наибольшей способностью поглощать энергию теплового излучения, причем в строго определенных для каждого газа интервалах длин волн. Это позволяет определять содержание отдельных компонентов в сложных газовых смесях независимо от концентрации других компонентов. Определение содержания NOx (смесь NO и NO2) основано на явлении хемилюминесценции. При воздействии на NO озоном O3, образуется NO2, и происходит излучение фотона света, регистрируемого специальным чувствительным элементом. В лаборатории МАДИ содержание NOx определяется инфракрасным методом. 1.4. Вспомогательные устройства стенда Система охлаждения и поддержания теплового режима двигателя Система охлаждения двигателя, установленного на стенде, отличается от системы охлаждения того же двигателя, установленного на автомобиле. Эти отличия заключаются в следующем. Водо-воздушный радиатор автомобиля заменяется на водоводяной теплообменник. Один контур этого теплообменника (внутренний) связан с системой охлаждения. По этому замкнутому контуру циркулирует охлаждающая жидкость от двигателя к 16 теплообменнику и обратно. Вход другого контура (внешнего) подключен к водопроводу, а его выход к системе канализации. Количество теплоты, отдаваемой двигателем в систему охлаждения, определяется расходом холодной воды через внешний контур. Расход холодной воды регулируется специальным краном, имеющим электропривод. Управление электродвигателем осуществляется с помощью специального автоматического устройства. Это устройство сравнивает значение температуры охлаждающей жидкости во внутреннем контуре с ее заданным значением и, в зависимости от результата сравнения, подает сигнал на открытие или закрытие крана, поддерживая тем самым заданную постоянную температуру. Функции термостата, устанавливаемого в штатной системе охлаждения автомобиля, выполняет описанная выше автоматическая система поддержания температурного режима. Для ускорения прогрева двигателя до рабочей температуры и поддержания ее при работе на малых нагрузках в систему охлаждения встроен электрический подогреватель, включаемый и отключаемый в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Отвод отработавших газов и глушение шума выпуска Выпускная система, предназначенная для отвода отработавших газов, состоит из газопровода, ресивера с глушителем и выпускной трубы. Для снижения передачи вибраций от двигателя к элементам выпускной системы и предотвращения ее быстрого разрушения, выпускной трубопровод крепится к выпускной системе через специальное гибкое соединение, называемое сильфоном. Выпускная система позволяет отвести отработавшие газы за пределы испытательного помещения. Ресивер необходим для поглощения энергии возможного взрыва топлива, которое может накопиться в системе выпуска при пропусках сгорания в двигателе. При взрыве открывается предохранительный клапан (верхняя крышка ресивера) и образовавшиеся газы выбрасываются в атмосферу, предотвращая разрушение системы выпуска. 17 Система вентиляции Для удаления из испытательного помещения избыточной теплоты, излучаемой нагретыми поверхностями двигателя и его систем, а также отработавших газов, проходящих через неплотности системы выпуска, испытательное помещение оборудуется системами принудительной вытяжной и приточной вентиляции. 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ 2.1. Порядок проведения лабораторных работ Лабораторные работы могут проводиться двумя способами: 1. Натурное испытание двигателя на тормозном стенде в учебной лаборатории кафедры. 2. Определение характеристик в компьютерном классе с использованием виртуального компьютерного лабораторного практикума ИОК «ДВС», основу которого составляют математические модели, разработанные на кафедре. Порядок подготовки к лабораторным работам, методика обработки и оформления результатов для обоих вариантов остаются неизменными. Организация проведения лабораторных работ в моторном боксе Академическая группа разбивается на две подгруппы, каждая по очереди направляется в моторный бокс учебной лаборатории. В боксе студенты, после инструктажа по технике безопасности, знакомятся с методикой измерения регистрируемых величин, их размерностями, порядком проведения замеров. За каждым студентом закрепляются приборы, за которыми он ведет наблюдение в процессе испытаний и записывает в протокол их показания по сигналу инженера-испытателя. В процессе записи результатов должна строго соблюдаться нумерация замеров. Для контроля проведения эксперимента и исключения случайных ошибок в процессе снятия характеристик и регистрации 18 показателей ДВС один из студентов осуществляет ввод измеряемых величин в компьютер под диктовку студентов, записывающих показания приборов. Это позволяет непосредственно в процессе испытаний увидеть характер изменения различных параметров и с помощью преподавателя уяснить особенности протекания характеристики. Организация проведения лабораторных работ в компьютерном классе Лабораторные работы выполняются в компьютерном классе, в котором студенты садятся по 1-2 человека за компьютер и знакомятся с методикой проведения работ. Преподаватель выдает индивидуальные задания на проведение эксперимента. Внешняя скоростная характеристика может быть получена при различных атмосферных условиях. Для получения частичных скоростных характеристик могут быть заданы промежуточные положения дроссельной заслонки для двигателя с искровым зажиганием (ДсИЗ) или рычага управления (в дизеле). При снятии нагрузочных характеристик могут быть заданы разные частоты вращения коленчатого вала, при которых определяется характеристика. Выполнение работ производится под наблюдением преподавателя. Студенты после вывода двигателя на требуемый режим выполняют замер после нажатия кнопки <Замер>. При этом данные с регистрирующих приборов автоматически записываются в протокол на компьютере. При необходимости стенд может быть переведен в режим прокрутки для измерения механических потерь. После выполнения задания студенты переписывают в журнал к лабораторным работам полученные данные. Далее студенты анализируют полученные графические зависимости, которые отображаются на мониторе. Группа может сравнить характеристики, полученные при различных условиях, и 19 сделать выводы о том, как эти условия повлияли на мощностные, экономические и экологические показатели двигателя. 2.2. Техника безопасности при проведении лабораторных работ на тормозном стенде Испытание двигателей связано с источниками повышенной опасности, как то: возможность воспламенения горючих и смазочных материалов; высокое напряжение в моторном тормозе и в системе зажигания двигателя и опасность поражения электрическим током; присутствие токсичных продуктов сгорания в отработавших газах и возможность их проникновения в помещение для испытаний; вращающиеся детали двигателя и испытательной установки; наличие горячих элементов систем выпуска, охлаждения и смазывания. В целях обеспечения безопасности и исключения несчастных случаев во время испытания двигателей студенты проходят обязательный предварительный (вводный) инструктаж по технике безопасности. Инструктаж проводится на первом лабораторном занятии и регистрируется в специальном журнале. Студенты, не прошедшие вводный инструктаж по технике безопасности, к лабораторным работам не допускаются. Студенты обязаны выполнять следующие правила по технике безопасности, отражающие специфику используемого оборудования и особенности проведения лабораторных работ: 1. При испытании двигателей в помещении бокса должно быть не больше установленного числа студентов. 2. Во время испытания студенты обязаны находиться на указанных преподавателем рабочих местах. 3. Запрещается самовольное включение приборов, кнопочных пускателей, тумблеров, поворачивание рукояток регулирующих органов и прикосновение ко всем токопроводам стенда. 4. При обнаружении в процессе испытания двигателей какихлибо неожиданных, посторонних, необычных, с точки зрения студентов, явлений (утечки топлива из сосудов и устройств для 20 измерения его расхода или топливной системы, возникновение шумов, стуков, вибраций, появление запаха, пара, дыма, огня, нарушение плотности соединений в системах, искрения или разрывов в электрических цепях и др.) следует немедленно сообщить преподавателю или учебному мастеру. 5. В случае возникновения пожара нужно по указанию преподавателя (учебного мастера) организованно и быстро покинуть помещение бокса или по его указанию приступить к ликвидации загорания, используя имеющиеся в боксе противопожарные средства. 6. Во время работы запрещается прикасаться: к выпускному коллектору, а также трубопроводам двигателя и установки; ко всем элементам, окрашенным в красный цвет (например, к трубопроводам системы охлаждения), и к внешним поверхностям двигателя; к проводам системы зажигания двигателя; к вращающимся элементам двигателя и тормозной установки. 7. При легкой травме (ожогах, ударах, порезах) нужно использовать имеющиеся в боксе медицинские средства. 8. Категорически запрещается курение в помещениях лаборатории и прилегающих коридорах. 2.3. Общие положения методики проведения стендовых испытаний двигателей Стендовые испытания двигателей имеют целью экспериментальное определение показателей двигателя при его работе на различных режимах. Программа и объем испытаний зависят от цели и назначения испытаний. Испытания подразделяются на: 1. Приемосдаточные и контрольные. Проводятся для определения соответствия двигателя техническим требованиям при производстве и ремонте. 21 2. Диагностические. Проводятся для выявления эксплуатационных дефектов и неисправностей. 3. Регулировочные. Проводятся для выбора и оптимизации параметров системы управления двигателем. 4. Научно-исследовательские. Проводятся для изучения закономерностей протекания процессов в двигателе с целью дальнейшего совершенствования его систем и узлов. Их проведение включает в себя ряд общих требований и этапов, регламентированных ГОСТ 14846-2020 “Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний”. Общими и обязательными являются такие этапы как запуск двигателя и его прогрев до рабочей температуры. Процедура получения самой характеристики происходит по алгоритму, который предусматривает: - вывод двигателя и тормозной установки на заданный режим; - стабилизацию режимных параметров в заданных пределах; - регистрацию необходимых показателей. Каждая характеристика должна иметь не менее шести точек исследуемых режимов, чтобы при построении графиков выявить форму и характер изменения показателей двигателя. 2.4. Проведение лабораторных работ в компьютерном классе Моделирование характеристик двигателей выполнено с использованием основных зависимостей теории двигателей в сочетании с математическими моделями, полученными при экспериментальных исследованиях. Последовательность операций управления двигателем и стендом при моделировании характеристик максимально приближена к характеру проведения натурных испытаний ДВС на тормозном стенде. Характеристики двигателя с искровым зажиганием определяются для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя 4Ч8,6/9,2 с впрыскиванием бензина, рабочим объемом 2,3 л и номинальной частотой вращения 4500 мин-1. Пределы изменения 22 ряда режимных параметров двигателя с искровым зажиганием приведены в таблице 2.1. Характеристики дизеля определяются для четырехтактного Vобразного восьмицилиндрового двигателя 8ЧН13/12 рабочим объемом 11,76 л и номинальной частотой вращения 2200 мин-1, оснащенного турбокомпрессором и охладителем наддувочного воздуха. Пределы изменения режимных параметров для данного двигателя приведены в таблице 2.2. Таблица 2.1 Пределы изменения параметров ДсИЗ Параметр Частота вращения n, мин-1 Степень открытия дроссельной заслонки др, % Пределы изменения 700 … 4500 20 … 100 Состав смеси 0,8 … 1,3 Угол опережения зажигания о.з, °ПКВ до ВМТ 0 … 50 Таблица 2.2 Пределы изменения параметров дизеля Параметр Частота вращения n, мин-1 Изменение нагрузки, % Пределы изменения 800 … 2400 0 … 100 Окно управления испытательным стендом при выполнении работы на компьютере (рис. 2.1) содержит: панель приборов, поле характеристики и регулятор параметра режима работы ДВС (регулятор режима). На панели приборов размещены индикаторы приборов, регистрирующих показания двигателя; кнопка ПУСК/СТОП для запуска и останова двигателя и кнопка ЗАМЕР для автоматической записи показаний приборов в протокол. Возле индикатора расположено символьное обозначение параметра, который регистрирует данный прибор, и его размерность. Регулятор режима предназначен для изменения величины управляющего параметра ДВС. Его выбор производится путем щелчка по полю требуемого параметра на панели приборов. Активированный параметр имеет полосу прокрутки и бегунок. 23 Перетаскивая бегунок или нажимая на кнопки полосы прокрутки с помощью мыши, можно изменять величину параметра. Рис. 2.1. Панель управления В поле характеристики, непосредственно в ходе выполнения лабораторной работы, строятся графики крутящего момента, массового и удельного эффективного расходов топлива. Последовательность действий при выполнении лабораторной работы 1. Запускают исполняемую программу лабораторной работы. 2. В окне регистрации задают фамилию и группу студента. После этого нажимают кнопку ОК. 3. В появившемся окне выбирают тип характеристики (рис. 2.2). Далее нажимают кнопку ОК. При этом открывается окно управления стендом. 4. С помощью регулятора режима задают атмосферное давление. Затем задают температуру атмосферного воздуха, нажав соответствующую кнопку и установив регулятором режима 24 требуемую величину. Допустимый диапазон изменения B0 = 700…800 мм рт. ст., t0 = -50…+50 C. Эти показатели задаются только в начале выполнения лабораторной работы и не могут изменяться в дальнейшем. Рис. 2.2. Выбор типа характеристик для ДсИЗ и дизеля 5. Запускают двигатель. Для этого необходимо нажать кнопку ПУСК на панели приборов (рис. 2.1). Сразу после запуска двигатель работает на холостом ходу. 6. Выводят двигатель на требуемый режим работы. Для приближения к реальному ходу испытаний двигателя на стенде введена нестабильность режима работы и инерционность системы «тормозная установка – двигатель». Сначала с помощью регулятора режима задают частоту вращения коленчатого вала. Далее изменяют другие режимные параметры в соответствии с методикой снятия характеристики. Выбор параметра, с помощью которого можно управлять двигателем, производится щелчком мыши на панели приборов в поле параметра. 7. По достижении нужного режима работы двигателя нажимают кнопку Замер. Этим осуществляется запись показаний датчиков в протокол. 8. Изменяют режим работы двигателя для определения показателей на следующей точке характеристики. При 25 возникновении условий неустойчивой работы двигателя на экран выводится соответствующее сообщение. При неустойчивой работе двигателя замеры не производятся. 9. После окончания снятия характеристики нажимают кнопку СТОП на панели приборов. Тем самым отключается подача топлива и двигатель переводится в режим прокрутки для определения механических потерь. 10. Нужно установить скоростной режим работы, при котором определялась характеристика, и нажать кнопку Замер. В результате получают момент прокрутки, рассчитываются индикаторные показатели двигателя и их значения заносятся в протокол. 11. Для просмотра протокола эксперимента необходимо нажать кнопку Протокол или пункт меню <Вид>, подпункт <Протокол> (быстрая клавиша <F4>), рис. 2.3. В начало протокола заносится информация о типе двигателя, его конструктивных параметрах, характеристиках топлива и атмосферных условиях. Ниже расположена таблица результатов эксперимента. Для перемещения по таблице данных используют полосы прокрутки (горизонтальную и вертикальную). 12. Если в протоколе недостаточно данных, то нужно вернуться к снятию характеристики. Для возврата к снятию характеристики нужно нажать кнопки Стенд или выбора пункта меню <Вид>, подпункта <Стенд> (быстрая клавиша <F3>). 13. После окончания выполнения работы (или в ходе выполнения) можно посмотреть графические зависимости показателей ДВС от изменяемого режимного параметра. Для этого надо нажать кнопку Графики в верхней части экрана или выбрать пункт меню <Вид>, подпункт <Графики> (быстрая клавиша <F5>). 26 Рис. 2.3. Пример протокола эксперимента Данное окно состоит из поля графиков, в котором отображаются различные наборы зависимостей (рис. 2.4). По оси абсцисс откладывается изменяемый в данной характеристике режимный параметр двигателя. По осям ординат откладываются значения различных показателей двигателя. Название оси с обозначением показателя и его размерностью заключается в прямоугольник, цвет которого соответствует линии в поле графиков. Выбор необходимого набора графиков можно задать, нажав соответствующую кнопку выбора графической зависимости, которые располагаются в окне слева. Графики индикаторных показателей двигателя получают после измерения механических потерь двигателя. Для сравнения характеристик, определенных на разных режимах работы двигателя, необходимо вернуться в окно управления экспериментом и выбрать пункт меню <Характеристика>, подпункт <Новый блок данных>. В результате данные в протоколе отделяются пустой строкой, а со следующей строки будут записываться параметры для следующих режимов 27 работы двигателя. Новая характеристика определяется так же, как описано выше. Графики отображаются другим типом линий (пунктир, штрих-пунктир и т.п.) Рис. 2.4. Пример графиков результатов моделирования внешней характеристики 14. Перед завершением работы необходимо сохранить протокол испытаний в файл. Для этого нажимают кнопку Сохранить или пункт меню <Файл>, подпункт <Сохранить> (быстрая клавиша <F2>). Можно задать любое имя файла. По умолчанию имя файла: Группа Фамилия х.sie (для ДсИЗ) и Группа Фамилия х.de (для дизеля), где х – символьное обозначение характеристики (см. таблицу 2.3). В дальнейшем файл результатов может быть открыт в MS Excel. 28 Таблица 2.3 Данные, записываемые в файл Наименование характеристики Обозначение (параметр х) Регулировочная по составу а смеси Регулировочная по УОЗ fi Скоростная n Нагрузочная Ne Дополнительные возможности (для специальности 13.03.03 ДВС) Функциональные возможности не ограничиваются только определением стандартных характеристик. Существует возможность сравнивать характеристики, полученные при работе двигателя с различным оборудованием. Это достигается за счет имитации работы специальных устройств, таких как: нейтрализатор отработавших газов (окислительный и бифункциональный), регуляторы угла опережения зажигания (центробежный и вакуумный) устройств. Причем дополнительное и некоторых других оборудование может быть отключено при определении характеристик. Так, например, можно сравнивать регулировочные характеристики по составу смеси с нейтрализатором отработавших газов и без него. Такое сравнение возможно в ходе лабораторной работы для окислительного и бифункционального нейтрализатора, а также при любой эффективности данных устройств (например, с учетом старения каталитически активного слоя в процессе эксплуатации). Стандартная характеристика определяется без нейтрализатора. Для того чтобы подключить модуль программы, рассчитывающий работу нейтрализатора, необходимо выбрать пункт меню <Оборудование> → <Нейтрализатор> → <Окислительный> или <Бифункциональный> (рис. 2.5). Выбранный пункт отметится значком «». После этого состав отработавших газов будет рассчитываться как при работе выбранного устройства. По 29 умолчанию эффективность нейтрализатора составляет 100% (новый нейтрализатор). Для изменения эффективности выберите пункт меню <Эффективность> и задайте нужное значение. Рис. 2.5. Выбор типа нейтрализатора Предлагается следующая методика расчета: K Сi Сiн , Сi где Сi – концентрация компонента без нейтрализатора, Сiн – концентрация компонента с нейтрализатором. Значение K определяется для каждого значения . По этим результатам строят зависимости КCO = f(), КCnHm = f() и КNOx = f(), по которым и определяют окно бифункциональности. В данной лабораторной работе также существует возможность определения характеристик центробежного и вакуумного регуляторов угла опережения зажигания. Для исследования характеристики центробежного регулятора необходимо снять отметку «» пункта меню <Коррекция по нагрузке> и отметить пункт <Коррекция по частоте вращения> (если он не был отмечен ранее) (рис. 2.6). Теперь, изменяя значения частоты вращения коленчатого вала, производите замер на каждом режиме. Аналогично определяется характеристика вакуумного регулятора. Для этого отключают центробежный регулятор и включают вакуумный регулятор, выбрав нужные пункты меню. Изменяя положение дроссельной заслонки или частоты вращения, производят измерение на каждом режиме. 30 Рис. 2.6. Выбор вида коррекции угла опережения зажигания Для дальнейшей обработки данных и построения других зависимостей, не предусмотренных в данной лабораторной работе, существует возможность передать результаты расчетов в MS Excel. Для этого в меню <Файл> выберите пункт <Передать результаты в MS Excel>. Далее выполняйте предлагаемые инструкции. 2.5. Обработка результатов испытаний. Отчет по лабораторной работе Обработка результатов и составление отчёта по лабораторным работам на тормозном стенде и в компьютерном классе не имеют отличий. После записи измеренных величин в соответствующий протокол журнала лабораторных работ по курсу «Теория рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания» студентами самостоятельно производится расчет требуемых показателей. Результаты расчетов также заносятся в протокол. Для полученной характеристики строятся графические зависимости ее показателей. используется масштабноДля построения графиков координатная бумага («миллиметровка») формата А4 по ГОСТ 345060 размером 210×297 с принятым соответствующим штампом и заголовком графика (рис. 2.7). Масштабы изображаемых величин выбираются из расчета 1, 2, 5, 10, 20, 100 единиц измерения в одном сантиметре миллиметровки с учетом наилучшего отображения каждого показателя, равномерного размещения графиков и полного использования рабочего поля форматки. 31 Рис. 2.7. Пример оформления графиков 32 На координатных осях следует обозначить размерность показателей, а также нанести равномерные цифровые шкалы в полученном при испытаниях диапазоне их изменения. Экспериментальные точки, полученные в результате непосредственного измерения величин, на графиках, обозначаются кружками, треугольниками, крестиками и другими значками. Аппроксимирующие кривые экспериментально определенных показателей должны корректировать фактические (полученные замером) значения и отражать реальные закономерности. Экспериментальные точки могут не попадать на скорректированную кривую, а располагаться вблизи нее вследствие возможных отклонений режима от заданного и случайных ошибок измерений. При получении рассчитанных показателей, таких как Nе, gе, и др. в расчетные формулы подставляются значения первичных величин, взятые с усредняющих лекальных кривых, и соответствующие рассматриваемой точке характеристики. На графиках расчетные точки этих показателей значками не выделяются. Примеры оформления графического материала смотрите в разделе 4. Отчёт по лабораторным работам включает в себя заполненный журнал и графики на форматках. 3. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ И РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВИГАТЕЛЕЙ В настоящем разделе даются краткие понятия и определения основных показателей работы и рабочего процесса двигателей, которые необходимы для правильного понимания сущности выполняемых лабораторных работ. Приводятся некоторые зависимости, используемые при расчётах и анализе результатов испытаний двигателя. 33 3.1. Показатели, характеризующие состав топливовоздушной смеси и процессы газообмена Состав топливовоздушной (горючей) смеси, сгорающей в цилиндрах двигателя, существенно влияет на его работу и в значительной мере определяет его мощностные, экономические и токсические показатели. Состав топливовоздушной смеси оценивают коэффициентом избытка воздуха. Коэффициентом избытка воздуха называется отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр к моменту закрытия впускных клапанов, к минимальному его количеству, необходимому для полного сгорания всего находящегося в смеси топлива. Количество воздуха ℓ0, которое необходимо для полного сгорания 1 кг топлива, зависит от элементного состава топлива. Для бензинов среднего элементного состава (gс = 0,855 и gн = 0,145, где gс и gн – массовые доли углерода и водорода в топливе) ℓ0 = 14,9 кг возд./кг топл. Для дизельных топлив среднего элементного состава (gс = 0,87 и gн = 0,13) ℓ0 = 14,4 кг возд./кг топл. Коэффициент избытка воздуха рассчитывается по результатам измерений расходов воздуха Gв и топлива Gт в процессе эксперимента: в т∙ . 0 Vв Gв (3.1) При выполнении лабораторных работ массовый часовой расход топлива Gт измеряется непосредственно. Применяемые при эксперименте средства измерения расхода воздуха позволяют непосредственно определить только объёмный расход воздуха Vв в м3/ч, который связан с массовым через плотность воздуха 0, кг/м3: , кг/ч. (3.2) Учитывая то, что атмосферное давление (В0) и температура (t0) измеряются в мм рт. ст. и в градусах Цельсия (С) соответственно, используя численное значение газовой постоянной воздуха (Rв), 34 рабочая формула для определения плотности воздуха 0 будет иметь вид: 0,465 В0 0 , кг/м3. (3.3) t 0 273 При = 1 смесь называют стехиометрической. В этом случае в продуктах сгорания теоретически содержатся только азот (N2), продукты полного окисления компонентов топлива (СО2 и Н2О) (рис. 3.1). Рис. 3.1. Типичная зависимость концентраций основных компонентов ОГ ДВС от состава смеси Если > 1, то такую смесь называют бедной (количество воздуха в смеси больше теоретически необходимого для полного сгорания всего имеющегося топлива). В этом случае в продуктах сгорания содержатся N2, СО2 , Н2О и кислород О2. Если < 1, то такую смесь называют богатой (количество воздуха в смеси меньше теоретически необходимого). В этом случае в продуктах сгорания, кроме азота N2, содержатся продукты полного сгорания топлива СО2, Н2О, а также продукты неполного окисления: оксид углерода (СО) и водород (Н2). 35 к Vh i Gвn 3 0 , 0 v На всех эксплуатационных режимах работы (кроме пусковых) в двигателях с искровым зажиганием (ДсИЗ) с традиционной организацией рабочих процессов значение коэффициента избытка воздуха приблизительно лежит в пределах = 0,8…1,2. Для дизелей = 1,4…6,0. При впуске в цилиндр ДсИЗ поступает топливовоздушная смесь (горючая смесь), а в дизеле чистый воздух. Количество воздуха или горючей смеси, поступившей в цилиндр (или оставшейся в нем) к моменту закрытия впускного клапана, называется свежим зарядом. Мощность двигателя при прочих равных условиях прямо пропорциональна наполнению цилиндров свежим зарядом за процесс впуска. Совершенство наполнения оценивают коэффициентом наполнения. Коэффициентом наполнения v называется отношение количества свежего заряда (Gв.ц), оставшегося в цилиндре после закрытия впускных клапанов, к его теоретическому количеству (Gв.ц.т), которое могло бы заполнить рабочий объём цилиндра (Vh) при давлении рк и температуре Тк (условиях на впуске). Для двигателей без наддува значения давления рк и температуры Тк принимаются равными атмосферным, т. е. рк = р0 и Тк = Т0. Для двигателей с наддувом значения рк и Тк задаются равными давлению и температуре перед впускными клапанами. При определении v для ДсИЗ, как правило, считается, что свежий заряд состоит только из воздуха; ввиду высокой плотности топлива по сравнению с воздухом такая замена мало отражается на получаемом результате. Расчетная формула: (3.4) , где Gв измеряется в кг/ч, n – в мин1, к – в кг/м3, iVh (рабочий объём всех i цилиндров) – в л. Коэффициент наполнения, в первую очередь, зависит от давления ра и температуры Та заряда в конце такта впуска, а также от количества заряда, поступившего в цилиндр при движении поршня от НМТ в процессе сжатия до момента закрытия впускных клапанов. 36 Последнее явление имеет место на некоторых скоростных режимах и называется дозарядкой. Продукты сгорания, оставшиеся в цилиндре после завершения выпуска, называются остаточными газами. Плохая очистка цилиндра от остаточных газов приводит к увеличению количества инертных газов в рабочей смеси и ухудшает процесс сгорания. 3.2. Индикаторные показатели LiVh pi Энергетические показатели Работа, совершаемая за один рабочий цикл в цилиндре двигателя, называется индикаторной работой Li. – удельный Среднее индикаторное давление рi энергетический показатель рабочего цикла – величина индикаторной работы, получаемой с единицы рабочего объёма двигателя: (3.5) , Па, где Li – индикаторная работа, Дж; Vh – рабочий объём цилиндра, 3 м. Ni – индикаторная n h V i 0 3 pi Ni Индикаторная мощность совершаемая в единицу времени: , кВт, работа, (3.6) где pi измеряется в МПа; iVh – в л; n – в мин1. В лабораторных работах индикаторная мощность Ni определяется как сумма эффективной мощности Ne и мощности механических потерь Nм.п. 3.3. Экономические показатели Теплота, введённая в цикл с топливом Qт.ц, определяется цикловой подачей топлива Gт.ц и его низшей теплотой сгорания Hu: (3.7) , Дж, т.ц т.ц ⋅ где Gт.ц измеряется в кг/цикл, Hu – в МДж/кг. Индикаторный коэффициент полезного действия i, характеризует экономичность рабочего цикла ДВС и оценивает долю 37 теплоты Qт.ц, введённой с топливом в рабочем цикле, преобразуемую в индикаторную работу Li при потерях теплоты Qпот: η т.ц 1 пот т.ц . (3.8) 3 0 1 gi G тNi Этот показатель характеризует степень совершенства организации рабочего цикла ДВС и уровень тепловых потерь в рабочем цикле. Для оценки экономичности действительного цикла ДВС также используется показатель, именуемый удельным индикаторным расходом топлива gi, определяющий расход топлива Gт (количество топлива в единицу времени) на единицу индикаторной мощности Ni: , г/(кВтч), (3.9) i , (3.10) i 0g 0 6 3 Hu где Gт измеряется в кг/ч, а Ni – в кВт. Формула для определения индикаторного КПД i имеет вид: где Hu измеряется в МДж/кг, а gi – в г/(кВтч). Для бензинов низшая теплота сгорания Hu составляет примерно 44,0 МДж/кг, а для дизельных топлив – 42,6 МДж/кг. Среднее индикаторное давление pi и индикаторный КПД i связаны формулой академика Б.С. Стечкина: η (3.11) ∙ ∙ η ∙ ρк ∙ η ∙ η ∙ ρк ∙ Ориентировочные сравнительные данные по индикаторным показателям 4-тактных двигателей с искровым зажиганием (без наддува) и дизелей на номинальном режиме приведены в таблице 3.1. 38 Таблица 3.1 Индикаторные показатели двигателей с искровым зажиганием и дизелей gi, г/(кВт·ч) 0,90…1,20 i 0,30…0,40 1,50…1,90 1,70…2,20 0,75…1,05 0,40…0,44 0,46…0,50 0,42…0.50 190…210 170…180 180…210 Тип двигателя pi, МПа Двигатели с искровым зажиганием Дизели с наддувом: легковых автомобилей грузовых автомобилей Дизели без наддува 205…270 3.4. Механические (внутренние) потери и эффективные показатели двигателя Передача потребителю индикаторных работы Li и мощности Ni, развиваемой в цилиндрах двигателя, сопровождается потерями внутри самого двигателя, которые называются механическими или внутренними и обозначаемые Lм.п и Nм.п соответственно. Среднее давления механических потерь рм.п по аналогии со средним индикаторным давлением рi представляет собой удельную работу механических потерь: м.п м.п , Па, (3.12) где Lм.п – работа механических потерь, Дж; iVh – рабочий объём двигателя, м3. Величина рм.п на номинальном режиме является одним из показателей совершенства конструкции ДВС. Одним из основных методов определения механических потерь является прокручивание электродвигателем тормоза коленчатого вала неработающего, но прогретого двигателя. При этом измеряемый на определенной частоте вращения момент прокрутки условно считается равным моменту механических потерь Мм.п. Мощность механических потерь Nм.п определяется через крутящий момент Мм.п и частоту вращения n: м.п м.п ⋅ , кВт, где Мм.п измеряется в Нм; n – в мин1. (3.13) 39 п Nм Ni Ne Эффективные показатели Часть индикаторной мощности Ni, отдаваемая потребителю, называется эффективной мощностью Nе: (3.14) Среднее эффективное давление ре: (3.15) м.п n h V i 0 3 pe Ne Зависимость, связывающая между собой Nе и ре: , кВт, (3.16) 5 n 0 5 M к9 Nе где ре в МПа; iVh в л; n в мин1. При проведении испытаний ДВС эффективная мощность Nе непосредственно не измеряется. Её величина определяется через измеряемые эффективный крутящий момент Мк и частоту вращения n: , кВт, (3.17) где Мк в Нм; n в мин1. Эффективный крутящий момент Mк – условный постоянный крутящий момент, при воздействии которого на коленчатый вал за один рабочий цикл совершается работа, численно равная эффективной работе цикла Lе. При проведении лабораторных работ индикаторные показатели ДВС (рi и Ni) определяются через соответствующие эффективные показатели (ре и Nе) и показатели механических потерь (рм.п и Nм.п) с использованием зависимостей (3.14) и (3.15). Величина ре является одним из обобщенных энергетических показателей ДВС и определяется не только эффективностью рабочего процесса в цилиндрах ДВС, но и механическими потерями, зависящими от совершенства конструкции и технологии изготовления двигателя. Уровень механических потерь оценивается механическим КПД м, показывающим, какая доля индикаторной работы Li преобразуется в эффективную работу Lе, то есть характеризует полноту передачи индикаторной работы на коленчатый вал ДВС. Механический КПД м – отношение одноимённых эффективных и индикаторных энергетических показателей: pepi NeNi LeLi м 40 , кВт. (3.18) м . i Hu м ц LiG т e Hu Le ц Gт Механический КПД м – показатель совершенства конструкции ДВС. С уменьшением нагрузки двигателя м уменьшается, достигая нулевого значения на режимах холостого хода. Экономичность ДВС оценивается эффективным коэффициентом полезного действия (КПД) е, представляющим собой отношение эффективной работы Le к теплоте, введённой с топливом в цикл Qтц: (3.19) 1 3 0 G тNe ge Эффективный КПД суммарно оценивает совершенство использования теплоты при организации рабочего цикла (i), и преобразование работы механической частью ДВС (м). Удельный эффективный расход топлива ge показывает, какое количество топлива Gт расходуется на получение единицы эффективной мощности Nе или количество граммов топлива для получения 1 кВт мощности за 1 час работы , г/(кВтч), (3.20) e 0 ge 0 6 3 Hu где Gт измеряется в кг/ч, а Nе – в кВт. gе связано с е следующей зависимостью: , (3.21) где Hu измеряется в МДж/кг, а gе – в г/(кВтч). Удельный эффективный расход топлива gе и эффективный КПД е, как и механический КПД м, существенно зависят от режима работы двигателя. С уменьшением нагрузки двигателя е уменьшается, а gе возрастает, что вызвано возрастанием относительной доли внутренних (механических) потерь. Связь среднего эффективного давления ре с основными показателями рабочего цикла (i и м), а также с показателями состава смеси () и наполнения (v), подобна зависимости для 41 среднего индикаторного давления рi (см. 3.11), но учитывает механический КПД м: η (3.22) ∙ ∙ ηм ∙ η ∙ к ∙ η ∙ η м ∙ η ∙ ρк ∙ Ориентировочные сравнительные данные по эффективным показателям 4-тактных двигателей с искровым зажиганием (без наддува) и дизелей на номинальном режиме приведены в таблице 3.2. Таблица 3.2. Эффективные показатели двигателей с искровым зажиганием и дизелей на номинальном режиме Тип двигателя ре, МПа Двигатели с искровым зажиганием 0,75…0,85 Дизели с наддувом: легковых автомобилей 1,20…1,60 грузовых автомобилей 1,60…2,00 Дизели без наддува 0,65…0,80 е gе, г/(кВтч) м 0,25…0,35 230…330 0,70…0,80 0,34…0,36 0,38…0,40 230…250 210…220 0,80…0,85 0,85…0,90 0,36…0,40 210…235 0,70…0,80 3.5. Показатели токсичности отработавших газов Вещества, входящие в состав ОГ, по характеру воздействия на организм человека могут быть разделены на токсичные и нетоксичные. Токсичными называются вещества, оказывающие вредное воздействие на организм человека и окружающую среду. Можно выделить три основных источника выбросов ДВС: отработавшие газы (ОГ), картерные газы и испарения топлива из бака. Основным источником вредных веществ в ДВС являются их ОГ. Примерно 2% от общего количества ОГ классифицируются как вредные. К нетоксичным веществам относятся: азот (N2), кислород (О2), водород (Н2), водяной пар (Н2О) и диоксид углерода (СО2). К токсичным веществам относятся: оксид углерода (СО), оксиды азота (NOх), углеводороды (СH), альдегиды (RCHO), оксиды серы (SOх), сероводород (H2S) и частицы, состоящие в основном из сажи. Особую группу составляют полициклические ароматические 42 углеводороды (ПАУ), которые являются канцерогенными веществами. К нормируемым токсичным веществам относятся NOх, СО, СН и частицы. При испытаниях результаты измерения газообразных токсичных компонентов газоанализаторами выражают в виде их концентрации в ОГ: ● объёмная концентрация в процентах по объему; ● объёмная концентрация в миллионных долях, млн-1; ● массовая концентрация в миллиграммах на литр, мг/л. Практически при испытаниях ДВС в % выражаются только концентрации СО и СО2 (СО2 хотя и не является токсичным компонентом, но вызывает парниковый эффект, поэтому его содержание часто определяется в процессе испытаний). Для оценки содержания в ОГ углеводородов и оксидов азота используется более мелкая единица, обозначаемая млн-1, чнм, ррm и равная 0,000001 по объему. Соотношения между указанными единицами концентрации С определяются формулами: (3.23) С%об = (Смлн-1) 10-4 или Смлн-1 = (С%об) 104 В соответствии с нормативной документацией, также в ОГ оцениваются дисперсные частицы, наличие которых характерно для дизеля. Основной их составляющей является сажа, но к ним относят и минеральные частицы из воздуха (пыль), металлические частицы (результат износа двигателя) и компоненты присадок и масла, кроме воды. Визуально частицы воспринимаются как непрозрачность, терминологически определяемые как дымность ОГ, хотя на нее ещё влияет наличие паров воды и несгоревших углеводородов. Дымность ОГ при испытаниях дизелей оценивают в % или единицах условной шкалы прибора, зависящей от принципа измерения. При фильтрационном методе оценка дымности ОГ производится по степени почернения специального фильтра, через который пропускают определённое количество ОГ. Она выполняется методом фотометрирования по величине интенсивности отраженного пучка света, направленного на лицевую сторону 43 ︶ % , L K ︵ е 1 0 0 1 N ︶ и л и 1 ︵ м , 0 N0 1 1 n l 1L K фильтра. Отсчёт производится по условной шкале в единицах Bosch в диапазоне от 0 до 10 единиц. При определении по массе задержанных частиц на фильтре путём его взвешивания единицей измерения является масса взвешенных частиц, приходящаяся на единицу объёма ОГ, прошедших через фильтр. Метод просвечивания основан на измерении оптической плотности ОГ при их прохождении через измерительную трубку определенной длины. Нормируемыми показателями являются натуральный показатель ослабления светового потока К, м-1 или коэффициент ослабления светового потока N, %. Связь между этими показателями определяется выражением: , (3.24) где L – база дымомера, L = 0,43 м. Для официального определения выбросов вредных веществ с ОГ и дымности используются два стандартизованных способа испытаний автомобильных ДВС (в условиях эксплуатации и при официальном утверждении). Примерные значения уровней «сырых» (до нейтрализатора) выбросов токсичных веществ на номинальном режиме для двигателей с искровым зажиганием и дизелей приведены в таблице 3.3. Таблица 3.3 Выбросы токсичных веществ двигателей с искровым зажиганием и дизелей на номинальном режиме Единица Бензиновый Компонент ОГ Дизель измерения ДсИЗ СО % по объёму 0,10…4,0 0,01…0,50 СН млн-1 200…4000 100…500 NOx млн-1 500…5000 500…3000 Сажа мг/м3 0…100 0…20000 44 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ 4.1. Регулировочная характеристика двигателя с искровым зажиганием по составу смеси Состав рабочей смеси в камере сгорания (КС) существенно влияет на работу двигателя и в значительной степени определяет его мощностные, экономические и токсичные показатели. В камере сгорания рабочая смесь состоит из: топлива и воздуха (свежего заряда или топливовоздушной смеси), остаточных газов (продуктов сгорания, оставшихся в КС от предыдущего рабочего цикла), отработавших газов (ОГ), направляемых в КС для рециркуляции (снижения максимальной температуры сгорания с целью уменьшения образования оксидов азота). Коэффициент избытка воздуха характеризует состав топливовоздушной смеси (ТВС) и представляет собой отношение воздуха, поступившего в цилиндр к моменту закрытия впускных клапанов, к минимальному его количеству, необходимому для полного сгорания всего находящегося в смеси топлива. При α < 1 смесь называется богатой (топливом); при α = 1 смесь называется стехиометрической; при α > 1 смесь называется бедной (топливом). Регулировочной характеристикой по составу смеси (РХ СС) называют зависимость основных показателей двигателя от состава смеси при постоянстве частоты вращения (n), положения дроссельной заслонки (φдр), теплового состояния двигателя (температуры охлаждающей жидкости и масла). В лабораторной работе регулировочную характеристику для каждого ее режима получаем путем изменения количества подаваемого топлива при постоянном положении дроссельной заслонки (ДЗ). Серия регулировочных характеристик, определенных на ряде режимов (сочетаний постоянных: частот вращения и положений ДЗ) для конкретного двигателя, позволяет: 45 определить предельные мощностные, экономические и токсические показатели при каждом положении дроссельной заслонки для данной частоты вращения; выбрать и оценить регулировки системы питания; по абсолютным значениям предельных показателей двигателя, а также по составам ТВС, соответствующим максимальной мощности, экономичности и предельным значениям токсичности отработавших газов, оценить качество рабочего процесса двигателя. Наибольшие значения индикаторной работы достигаются не при = 1, а при несколько обогащенной рабочей смеси бензина с воздухом. Такой состав называется мощностным, а его величина обозначается как м. (При полностью открытой ДЗ бензинового двигателя м = 0,85…0,95). Это объясняется следующими основными причинами: достигает максимума количество фактически выделяющейся теплоты в цилиндре, так как из-за неидеального перемешивания смеси полное использование воздуха возможно только при некотором избытке топлива; смесь сгорает быстрее, чем стехиометрического состава, что способствует более полному превращению теплоты в работу; увеличивается химический коэффициент молярного изменения при сгорании (0), характеризующий отношение числа молей продуктов сгорания к числу молей свежей ТВС. Это повышает индикаторную работу цикла; снижаются потери теплоты из-за диссоциации продуктов сгорания, которые максимальны при стехиометрическом составе смеси. (Диссоциация в ДВС – распад трехатомных молекул продуктов сгорания на двухатомные, сопровождающееся поглощением теплоты). При дальнейшем обогащении смеси (уменьшении ) относительно м снижение мощности и ухудшение экономичности двигателя обусловлено быстрым увеличением потерь теплоты из-за химической неполноты сгорания топлива, связанной с недостатком воздуха. 46 При обеднении смеси (увеличении ) и > м мощность уменьшается, так как все меньше и меньше топлива вводится в цилиндры двигателя (в тот же объем воздуха), а удельный эффективный расход топлива ge (характеризующий экономичность двигателя) улучшается из-за более полного использования теплоты, выделившейся при сгорании топлива. При дальнейшем обеднении смеси и > 1 индикаторный КПД i продолжает увеличиваться только до определенного значения, соответствующего наилучшей экономичности эк. Минимум удельного эффективного расхода топлива ge достигается при составе смеси (эк), который называется экономичным. (При полностью открытой ДЗ бензинового двигателя эк = 1,1…1,2). При увеличении выше эк индикаторный КПД снижается и начинается рост удельного эффективного расхода топлива. Это связано с тем, что с обеднением смеси существенно ухудшаются процессы ее воспламенения и сгорания. Возрастает неравномерность работы от цикла к циклу, вплоть до пропусков воспламенения в отдельных циклах и цилиндрах. В двигателях, отличающихся по конструкции, а для одного и того же двигателя – на разных скоростных и нагрузочных режимах, процессы смесеобразования, воспламенения, сгорания, теплообмена и т. д. протекают неодинаково. Поэтому будут неодинаково изменяться мощностные и экономические показатели двигателя в зависимости от состава смеси. В частности, могут отличаться составы смеси, соответствующие максимальной мощности и наилучшей экономичности двигателя. На рисунке 4.1 представлена регулировочная характеристика двигателя, снятая при полном открытии дроссельной заслонки. Очевидно, что реальные регулировки топливной системы должны всегда обеспечивать работу двигателя при составе смеси между м и эк. При полном открытии дроссельной заслонки, когда необходимо чтобы двигатель развивал наибольшую мощность, состав смеси, подаваемой в цилиндр, следует устанавливать чуть 47 беднее мощностного состава (м). При этом мощность практически не изменится, а топливная экономичность заметно улучшится по сравнению с м. При частичном открытии дроссельной заслонки важно обеспечить экономичную работу двигателя. Поэтому регулировки подачи топлива стремятся выбирать в зоне экономических составов смеси, но несколько богаче, чем эк. Это необходимо, чтобы двигатель не работал на слишком бедных смесях. Данные регулировки состава смеси раньше выбирались для карбюраторных двигателей, а также на начальном этапе применения впрыскивания бензина, когда не было ограничений на токсичность ОГ и не применялись каталитические нейтраизаторы. Современные двигатели, оборудованные трехкомпонентными нейтрализаторами ОГ, в основном работают на стехиометрической смеси ( = 1) для подавления комплекса нормируемых токсичных компонентов СО, СН и NOx. Содержание токсичных продуктов в ОГ ДсИЗ существенно зависит от состава горючей смеси (рис. 4.2). Наибольшее количество оксида углерода СО образуется при работе на обогащенной смеси из-за недостатка кислорода. С обеднением смеси выброс СО быстро уменьшается и при = 1,05 становится весьма малым. Оксиды азота NOx образуются в продуктах сгорания при высокой температуре и наличии свободного кислорода. Наибольший выброс NOx соответствует = 1,07…1,1, так как при таких смесях температура рабочего цикла еще достаточно высока и в продуктах сгорания имеется свободный кислород. При обогащении смеси содержание NOx в ОГ снижается, т. к. в них практически отсутствует свободный кислород. Обеднение смеси выше указанного , приводит к сокращению образования NOx из-за уменьшения цикловой подачи топлива и максимальной температуры рабочего цикла. Наибольшее количество углеводородов CH образуется при работе на обогащенных или сильно обедненных смесях из-за 48 Рис. 4.1. Регулировочная характеристика двигателя по составу смеси 49 Рис. 4.2. Влияние состава смеси на содержание токсичных продуктов в ОГ 50 ухудшения полноты сгорания, особенно в слое заряда, прилегающем к стенкам камеры сгорания. При изменении нагрузочного режима работы двигателя пределы регулирования по составу смеси изменяются. С уменьшением нагрузки при прикрытии дроссельной заслонки (ДЗ) резко ухудшаются условия воспламенения и сгорания рабочей смеси по следующим причинам: уменьшение концентрации топлива и кислорода в рабочей смеси. Поступающая в цилиндр топливовоздушная смесь в большей степени разбавляется в камере сгорания продуктами сгорания, оставшимися в ней от предыдущего рабочего цикла. При этом количество остаточных газов в КС практически не изменяется, а количество поступающей свежей смеси уменьшается в несколько раз; уменьшение скорости турбулентного движения рабочей смеси в цилиндре. уменьшение плотности и температуры рабочей смеси в момент воспламенения в связи с ростом гидравлических потерь при прикрытии ДЗ; уменьшение энергии искрового разряда, которая зависит от плотности смеси. У современных двигателей с гомогенным зарядом предел эффективного обеднения смеси при полностью открытой ДЗ соответствует эк = 1,1…1,2 и уменьшается по мере ее прикрытия до эк = 0,9…1,0 У двигателей с наиболее совершенным рабочим процессом и впрыскиванием топлива непосредственно в цилиндр на малых нагрузках эк достигает 1,35…1,4. На рисунке 4.3 сопоставлены удельные эффективные расходы топлива на регулировочных характеристиках ДсИЗ по составу смеси, снятых при различном открытии дроссельной заслонки. 51 g550 e, г/(кВт·ч) 500 v=0,38 450 400 350 v=0,78 300 250 α 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 Рис. 4.3. Изменение топливной экономичности двигателя при прикрытии дроссельной заслонки Верхняя кривая, соответствует работе двигателя при малых нагрузках (v = 0,38), а нижняя при полной нагрузке (др = 100% v = 0,78). При малых нагрузках удельные эффективные расходы топлива выше т. к. по мере уменьшения нагрузки эффективный КПД уменьшается, главным образом из-за снижения механического КПД, обусловленного прикрытием ДЗ. Современные автомобильные ДсИЗ не работают на пределе эффективного обеднения смеси из-за невозможности выполнить при таком регулировании жесткие нормы на токсичность ОГ. Естественно, это приводит к некоторому ухудшению экономических показателей. 52 4.1.1. Методика определения регулировочной характеристики по составу смеси на тормозном стенде Двигатель предварительно должен быть прогрет, и во время снятия характеристики температура воды и масла должна поддерживаться в заданных пределах. В двигателе с впрыскиванием топлива для изменения состава смеси при снятии регулировочной характеристики меняют величину цикловой подачи топлива форсункой. Снятие характеристики начинают с обогащенной смеси. Затем, постепенно уменьшая часовой расход топлива, обедняют смесь вплоть до прекращения устойчивой работы двигателя. Постоянство частоты вращения на всех последующих режимах обеспечивают регулированием нагрузки, создаваемой тормозом. При этом для каждого часового расхода топлива следует подбирать свой наиболее выгодный угол опережения зажигания (УОЗ) по величине максимального крутящего момента. Для упрощения снятия характеристики УОЗ оставляют неизменным. При этом, однако, нельзя гарантировать получения точных абсолютных значений максимальной мощности, наилучшей экономичности, предельной токсичности двигателя, а также соответствующих им коэффициентов избытка воздуха. При каждом составе смеси определяют: расход топлива Gт; расход воздуха Gв; частоту вращения коленчатого вала двигателя n; крутящий момент Мк; угол опережения зажигания о.з; температуру отработавших газов tг; показатели токсичности ОГ, а также показатели теплового режима двигателя. На основании проведенных измерений для каждой точки рассчитывают мощность двигателя Ne, коэффициент избытка воздуха α, коэффициент наполнения ηv и удельный эффективный расход топлива ge. 53 4.1.2. Методика определения регулировочной характеристики двигателя по составу смеси на виртуальной лабораторной установке В данной лабораторной работе характеристика определяется при постоянной частоте вращения коленчатого вала (n = const) и при постоянном положении дроссельной заслонки (др = const), а также стабильной температуре охлаждающей жидкости и масла. Поэтому при снятии характеристики расход воздуха практически постоянный Gв = const. Состав смеси изменяется за счет изменения расхода топлива (Gт = var). Двигатель выводится на заданный режим работы. Для этого устанавливают необходимую частоту вращения коленчатого вала и угол открытия дроссельной заслонки. Затем изменяют только расход топлива Gт. Характеристику начинают снимать с богатых смесей ( = 0,7), а затем, снижая расход топлива, постепенно обедняют смесь (до = 1,3). Графически характеристика строится в зависимости от коэффициента избытка воздуха. Изменяя расход топлива, следите за значением (для этого значение выводится непосредственно на панели приборов в соответствующем окне). Рекомендуется изменять значение с шагом 0,1. Для более точного определения мощностного и экономичного состава смеси шаг можно уменьшить до 0,05 в этих зонах. Для других режимов работы ДВС регулировочную характеристику по составу смеси определяют так же, как описано выше. Вопросы для самоконтроля 1. Приведите определение коэффициента избытка воздуха. 2. Какие смеси называют богатыми, бедными и стехиометрическими? 3. Приведите определение регулировочной характеристики по составу смеси (РХ СС). Для каких целей она определяется? 54 4. Как производится снятие РХ СС? Каким образом регулируется подача топлива при снятии характеристики на двигателе с распределенным впрыскиванием топлива? 5. Как и почему мощность и экономичность двигателя изменяются при варьировании коэффициентом избытка воздуха по РХ СС? 6. Какие основные токсичные вещества могут содержаться в отработавших газах бензинового двигателя? 7. Как и почему изменяется содержание СО, CH, NOх в ОГ бензинового двигателя при изменении состава смеси? 8. На каком составе смеси работают бензиновые двигатели современных автомобилей и почему? 4.2. Регулировочная характеристика двигателя по углу опережения зажигания Наиболее эффективным способом управления своевременным сгоранием топливовоздушной смеси является изменение момента подачи электрической искры, которая воспламеняет рабочую смесь в цилиндре. Угол поворота коленчатого вала от момента искрового разряда на свече зажигания до верхней мертвой точки (ВМТ) называют углом опережения зажигания (УОЗ) и обозначают о.з. УОЗ, позволяющий для конкретного режима работы двигателя получить максимальную мощность и наилучшую экономичность, называется оптимальным о.з.опт. При о.з < о.з.опт зажигание называется поздним; при о.з > о.з.опт зажигание называется ранним. Регулировочной характеристикой по углу опережения зажигания называют зависимость основных показателей двигателя от угла опережения зажигания при постоянных значениях частоты вращения (n), положения дроссельной заслонки (др), теплового состояния двигателя (температуры охлаждающей жидкости и масла). 55 Серия регулировочных характеристик, определенных на ряде режимов (сочетаний постоянных частот вращения и положений дроссельной заслонки) для конкретного двигателя, позволяет: определить предельные мощностные, экономические и токсические показатели; выбрать значения углов опережения зажигания, которые должны поддерживаться системой управления при различных режимах работы двигателя; оценить требования двигателя к октановому числу топлива. Процесс выделения теплоты начинается несколько раньше, чем поршень достигнет положения ВМТ, и заканчивается после прохождения им ВМТ в процессе расширения. Для уменьшения потерь, связанных с неполным использованием выделяющейся в цилиндре теплоты, желательно, чтобы этот процесс происходил как можно ближе к ВМТ. Весь процесс сгорания в двигателе принято условно разделять на три фазы (рис. 4.4). Рис. 4.4. Индикаторная диаграмма двигателя, построенная по углу ПКВ с указанием фаз процесса сгорания 56 Первая фаза сгорания I начинается после искрового разряда в свече зажигания (точка e). В ней происходит формирование и развитие очага горения. За конец первой фазы принимают точку начала заметного повышения давления в цилиндре за счет сгорания над давлением сжатия (точка f). Пунктирная линия 3 соответствует индикаторной диаграмме при отсутствии сгорания. После этого начинается вторая (основная) фаза сгорания, во время которой фронт пламени распространяется по всей камере сгорания и выделяется основная часть теплоты. За конец основной фазы принимают или момент достижения максимума давления в цилиндре (точка z) или момент достижения максимальной температуры цикла (точка Тmax). Соответственно длительность второй фазы обозначается II z или II т. Тmax достигается несколько позже pz max и более точно отражает момент завершения второй фазы. Однако точку z легче определить на индикаторной диаграмме. В третьей фазе сгорания III сгорание продолжается. Догорание остатков рабочей смеси происходит у стенок камеры сгорания. Для лучшего использования теплоты важно расположить вторую фазу сгорания как можно ближе к ВМТ. Это можно обеспечить, выбрав правильно в зависимости от режима работы двигателя, момент принудительного воспламенения рабочей смеси и установив оптимальный угол опережения зажигания φо.з.опт. Обычно при этом на номинальном режиме максимум давления (точка z) достигается при 12…15°ПКВ после ВМТ. Величину φо.з.опт определяют для всей области активных режимов ДсИЗ во всем диапазоне его скоростных и нагрузочных режимов с целью формирования модели для управления двигателем. На рисунке 4.5 показана типичная регулировочная характеристика по УОЗ. Максимум кривой Nе = f(о.з) соответствует оптимальному углу опережения зажигания о.з.опт.. 57 Рис. 4.5. Пример регулировочной характеристики по УОЗ На рисунке 4.6 представлены индикаторные диаграммы двигателя для трех различных углов опережения зажигания: І – оптимальное опережение зажигания; ІІ – раннее зажигание; ІІІ – позднее зажигание. p p а II б II I I III III V Рис. 4.6. Влияние УОЗ на протекание индикаторных диаграмм: а – в координатах р-V; б – в координатах р-φ 58 При раннем зажигании увеличивается отрицательная работа сжатия. Кроме того, из–за высоких давления и температуры рабочего цикла возрастают потери теплоты в стенки в конце сжатия и при сгорании, а также потери от утечек рабочего тела через кольца поршня. Все это вызывает снижение эффективной мощности. При слишком раннем зажигании, из–за повышения максимальных значений температуры и давления цикла, увеличения температуры деталей камеры сгорания и, соответственно, температур в последней порции несгоревших газов возможно возникновение нарушений нормального процесса сгорания: преждевременного воспламенения смеси от перегретых элементов в камере сгорания и детонации (самовоспламенения и взрывного горения части рабочей смеси, до которой фронт пламени от свечи доходит в последнюю очередь). Увеличение УОЗ вызывает повышение максимальной температуры и давления рабочего цикла. Это обуславливает рост оксидов азота и увеличение утечек рабочего тела из камеры сгорания через поршневые кольца в картер. При позднем зажигании повышается температура рабочего тела в процессе расширения. Это увеличивает потери теплоты: при расширении в стенки, с отработавшими газами при выпуске ОГ, а также вызывает перегрев деталей двигателя. При уменьшении УОЗ (относительно ВМТ) температура рабочего тела в цилиндре при расширении вызывает перегрев элементов двигателя, контактирующих с ним, а при выпуске ОГ с высокой температурой они могут разрушить нейтрализатор. Если при снятии характеристики часовой расход топлива Gт постоянен (из-за постоянства n и φдр), то зависимость удельного эффективного расхода топлива ge от угла опережения зажигания обратно пропорциональна изменению мощности (ge = Gт/Ne). Следовательно, при угле опережения зажигания, обеспечивающем максимальную мощность двигателя, одновременно будет достигаться его наилучшая топливная экономичность. Такой угол называют наивыгоднейшим по мощности или оптимальным углом опережения зажигания φо.з. опт. 59 УОЗ существенно влияет и на токсичность отработавших газов (рис. 4.7). С его увеличением в ОГ возрастает содержание оксидов азота NOх, так как повышается максимальная температура рабочего цикла. Содержание несгоревших углеводородов CH в ОГ меняется от УОЗ более сложным образом. При работе на бедных смесях и более позднем зажигании содержание CH в ОГ уменьшается из-за более высокой температуры ОГ и догорания топлива в процессе выпуска. Содержание оксида углерода СО в ОГ мало зависит от величины УОЗ. NOx, ppm 5000 tr,°C 600 tr 550 4000 3000 500 CH, ppm 160 2000 120 NOx CH 1000 80 СО,% 1 40 CO 0 10 20 30 40 50 оз,°ПКВ Рис. 4.7. Изменение содержания токсичных веществ в ОГ в зависимости от УОЗ Величина оптимального УОЗ должна согласовываться с: - режимом работы двигателя и его тепловым состоянием; - внешними атмосферными условиями (р0 и Т0); - выбранными регулировками систем подачи топлива, рециркуляции ОГ, фаз газораспределения и др. 60 С ростом частоты вращения время для реализации рабочего цикла уменьшается. При этом время на фазы сгорания также уменьшается. Длительность основной второй фазы сгорания в градусах поворота коленчатого вала (°ПКВ) остается почти постоянной т. к. изза увеличения турбулентности заряда скорость сгорания растет примерно пропорционально частоте вращения. Но из-за уменьшения времени для осуществления первой фазы сгорания системе управления требуется повышать оптимальный УОЗ. Это приведет к ее необходимому увеличению в °ПКВ. При прикрытии дроссельной заслонки уменьшается давление в цилиндре в момент воспламенения, снижается интенсивность турбулентности заряда и увеличивается разбавление рабочего заряда остаточными газами. Все это ухудшает смесеобразование и сгорание, вызывая рост длительности фаз сгорания, что требует повышения УОЗ. Чем беднее топливовоздушная смесь, тем медленнее она горит и тем раньше надо ее воспламенять, чтобы основная масса заряда успела сгореть в период, пока поршень находится вблизи ВМТ. Особенно существенно состав смеси влияет на протекание сгорания в первой и третьей фазах процесса сгорания. В современных двигателях с электронными системами управления необходимое опережение зажигания при изменении эксплуатационных условий и на всех режимах работы двигателя обеспечивается на основе заданных алгоритмов. В двигателе УОЗ используется для поддержания необходимых мощностных, экономических и токсических показателей, а также для: o устранения детонации, если она возникает в каком-либо из цилиндров; o улучшения качества пуска двигателя; o ускорения процесса прогрева двигателя и нейтрализатора; o снижения рывков автомобиля при переключении передач в автоматической трансмиссии путем кратковременного снижения мощности двигателя за счет уменьшения УОЗ. 61 4.2.1. Методика определения регулировочных характеристик по углу опережения зажигания на тормозном стенде Перед началом испытаний двигатель прогревают до заданной температуры. Затем устанавливают исследуемый режим работы: необходимое положение дроссельной заслонки и, регулируя нагрузку тормоза, заданную частоту вращения. При выполнении настоящей лабораторной работы угол опережения зажигания задается электронной системой управления стенда. Эксперимент начинают с очень малых углов, и, наблюдая за показаниями весов тормоза, примерно определяют величину УОЗ, при котором крутящий момент достигает максимальной величины. Затем уменьшают УОЗ до тех пор, пока крутящий момент не снизится на 5…10%, и производят необходимую коррекцию нагрузки тормоза с целью установления заданной частоты вращения. После стабилизации теплового режима двигателя записывают величину УОЗ и проводят измерение: крутящего момента, расхода воздуха, расхода топлива, частоты вращения, концентрации токсичных веществ в ОГ. Затем переходят к следующему режиму (точке характеристики), увеличив УОЗ на 3…5ПКВ. Измерения производят только после корректирования нагрузки тормоза и стабилизации теплового режима двигателя. По мере увеличения УОЗ крутящий момент (мощность двигателя) будет сначала возрастать, а затем уменьшаться. Снятие характеристики прекращают, когда значение мощности вновь уменьшится на 3…5%. Желательно, чтобы после максимума мощности при увеличении УОЗ было снято не менее двух точек. В некоторых случаях при снятии характеристики по УОЗ, когда октановое число топлива недостаточно, при увеличении опережения зажигания в двигателе может возникнуть детонация. При этом дальнейшее повышение УОЗ прекращают, а в протоколе испытаний делают соответствующую отметку. 62 Современные электронные системы управления двигателем при появлении детонационного сгорания смеси в цилиндре реализуют специальный алгоритм с целью автоматического перехода на более поздний УОЗ. По результатам лабораторной работы строят графики регулировочной характеристики, показанные на рис. 4.8. 4.2.2. Методика определения регулировочной характеристики по углу опережения зажигания на виртуальной лабораторной установке Характеристика определяется при постоянной частоте вращения коленчатого вала (n = const), постоянном положении дроссельной заслонки (др = const) и постоянном расходе топлива (Gт = const). Двигатель выводят на требуемый режим работы, изменяя соответствующие регулирующие параметры. При этом устанавливают требуемые значения n, др и Gт. Затем изменяют угол опережения зажигания в допустимых пределах для заданного режима работы. Снятие характеристики на другом режиме работы производится так же, как описано выше. Сравнить полученные характеристики можно, выбрав пункт меню <Графики>. Новая характеристика наносится в область построения пунктирной линией. Таким образом, можно сравнить значения оптимальных углов опережения зажигания, максимальных значений мощности и минимальных значений удельного эффективного расхода топлива, полученных на разных режимах работы двигателя. Например, при различной частоте вращения, разных положениях дроссельной заслонки или при различных составах смеси. 63 n = 2000 мин-1, др = 100%, v = 0,76 n = 2000 мин-1, др = 50%, v = 0,40 Рис. 4.8. Пример оформления регулировочной характеристики по углу опережения зажигания 64 Вопросы для самоконтроля 1. Приведите определение угла опережения зажигания (УОЗ). 2. Приведите определение регулировочной характеристики по углу опережения зажигания (РХ УОЗ). 3. Опишите методику снятия РХ УОЗ на стенде. 4. Когда при снятии РХ УОЗ может возникнуть детонация и что необходимо сделать для ее устранения? 5. На какие основные фазы принято разделять процесс сгорания в двигателе с воспламенением от искры? 6. Почему важно, чтобы основная доля теплоты выделялась при сгорании тогда, когда поршень находится вблизи ВМТ? 7. Как и почему изменяются мощность и топливная экономичность двигателя по РХ УОЗ при варьировании УОЗ? 8. Почему максимальная мощности и минимальный удельный эффективный расход топлива по РХ УОЗ достигаются при одном и том же УОЗ? 9. Как и почему изменяются максимальная температура рабочего цикла и температура отработавших газов по РХ УОЗ при изменении угла опережения зажигания? 10. Как влияет изменение УОЗ на выбросы токсичных компонентов отработавших газов? 11. Как влияет частота вращения, открытие дроссельной заслонки на величину оптимального УОЗ? 12. В зависимости от каких факторов электронная система управления осуществляет регулирование угла опережения зажигания при изменении режима работы? 13. Как электронная система управления предотвращает детонацию при регулировании угла опережения зажигания? 4.3. Скоростные характеристики двигателя с искровым зажиганием Скоростной характеристикой двигателя с искровым зажиганием называется зависимость эффективной мощности, эффективного крутящего момента, часового и удельного 65 эффективного расходов топлива, а также других показателей двигателя от частоты вращения при постоянном положении дроссельной заслонки. Скоростную характеристику, полученную при полном открытии дроссельной заслонки, называют внешней скоростной характеристикой (ВСХ), а характеристику при частичном постоянном открытии дроссельной заслонки – частичной скоростной характеристикой. Работу двигателя по ВСХ можно проиллюстрировать случаем, когда водитель нажал до упора на педаль акселератора, а автомобиль движется все быстрее (при неизменной передаче в коробке передач) по дороге, которая плавно меняет свой профиль: вначале идет на подъем, затем горизонтальная, затем идет на уклон. Внешняя скоростная характеристика является основной паспортной характеристикой двигателя. По данным этой характеристики оценивают важнейшие технические показатели двигателя: Ne_max – максимальную эффективную мощность двигателя и соответствующую ей частоту вращения вала двигателя nNе_max; Ne_ном – номинальную эффективную мощность, т. е. мощность, гарантируемую заводом-изготовителем при заданной (номинальной) частоте вращения nном; Мк_max – максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, и соответствующую ему частоту вращения nМк max; gе min – минимальный удельный эффективный расход топлива по ВСХ и соответствующую ему частоту вращения nge min; nmin – минимальную устойчивую рабочую частоту вращения и другие показатели (рис. 4.9). ВСХ двигателя позволяет определить максимальные энергетические показатели двигателя во всем диапазоне частот вращения при выбранных регулировках его систем (питания, зажигания и др.). Обычно при выборе регулировок двигателя по внешней скоростной характеристике стремятся обеспечить состав смеси, близкий к мощностному ( м), и угол опережения зажигания, близкий к оптимальному (о.з о.з.опт). 66 Основные показатели рабочего процесса, и механические потери, формирующие ВСХ, представлены на рис. 4.10. Эффективная мощность двигателя Ne определяется пропорционально эффективному крутящему моменту Мк и частоте вращения n Ne = Mк n / 9550 = pe n iVh / 30 τ. (4.1) Здесь ре – среднее эффективное давление, iVh – рабочий объем двигателя, τ – коэффициент тактности двигателя. Эффективный крутящий момент двигателя Mк пропорционален среднему эффективному давлению ре, Mк = Kм pe, где Kм = 9550 n iVh / 30 τ – величина, постоянная для данного двигателя. Среднее эффективное давление ре (удельная работа с единицы рабочего объема двигателя) определяется изменением среднего индикаторного давления pi и среднего давления механических потерь pм.п pe = pi – pм.п. Среднее индикаторное давление pi (пропорциональное Mi) определяется по формуле академика АН СССР Б.С. Стечкина: (4.2) ∙ ∙ η ∙ ρк ∙ η ∙ η ∙ ρк p ∙ Здесь отношение Hu – низшая теплотворная способность топлива, l0 – количество кг воздуха, необходимого для окисления 1 кг топлива, i – индикаторный КПД, коэффициент наполнения, к – плотность воздуха на входе в двигатель Величина к зависит от атмосферных условий, а при применении наддува – от давления и температуры воздуха после нагнетателя. Для двигателя без наддува и при конкретных условиях испытаний величины параметров, характеризующих свойства топлива Hu, l0 и плотности свежего заряда к, можно считать постоянными. Следовательно, протекание pi (Mi) по ВСХ будет определяться изменением индикаторного КПД i, коэффициента избытка воздуха и коэффициента наполнения v. 67 Для обеспечения эффективной работы нейтрализатора ОГ при выборе регулировок двигателя устанавливают стехиометрический состав смеси ( = 1,0). Это сопровождается некоторым уменьшением энергетических показателей двигателя. Повышение частоты вращения способствует повышению индикаторного КПД i. Это обусловлено: ростом скорости фронта пламени, интенсифицирующей смесеобразование и сгорание, уменьшением относительных потерь теплоты в стенки цилиндра изза сокращения времени контакта горячего рабочего тела с менее горячими стенками цилиндра. Рис. 4.9. Внешняя скоростная характеристика: 1 – без ограничителя максимальной частоты вращения; 2 – с ограничителем частоты вращения 68 Рис. 4.10. Показатели рабочего процесса и механические потери двигателя, формирующие внешнюю скоростную характеристику 69 Величина коэффициента наполнения v зависит от большого числа факторов и изменяется с ростом частоты вращения сложным образом, а характер его изменения для разных двигателей неодинаков. Фазы газораспределения (ФГР) и колебания давления газа во впускной и выпускной системах существенно влияют на ηv. Выбором ФГР и конструкции, геометрических параметров систем газообмена с учетом типа и назначения двигателя можно направленно воздействовать на протекание ηv по ВСХ, добиваясь для определенной частоты вращения (диапазона частот) наилучшего наполнения цилиндра свежим зарядом с учетом возможной дозарядки и его очистки от отработавших газов. При повышении частоты вращения от минимальной до частоты с наибольшим v усиливаются дозарядка цилиндра и его очистка от ОГ. На низких частотах вращения возможно не только отсутствие дозарядки, но даже (при слишком позднем закрытии впускного клапана) обратный выброс части свежего заряда из цилиндра во впускной трубопровод через впускной клапан в начале процесса сжатия. При дальнейшем повышении частоты вращения существенный рост гидравлических потерь, пропорциональный квадрату скорости движения свежего заряда, вызывает снижение ηv. Интенсивность снижения v тем больше, чем выше частота вращения и гидравлическое сопротивление системы впуска. Сопротивление дроссельной заслонки существенно влияет на него. Заметное влияние на изменение наполнения оказывает подогрев свежего заряда при впуске от горячих стенок впускного тракта и деталей двигателя. При росте частоты вращения подогрев свежего заряда может: увеличиваться из-за роста: часового расхода Gт (количества теплоты, вводимой в двигатель); скорости движения газов у поверхности деталей, интенсифицирующих теплообмен и повышающих температуру деталей двигателя. Это должно вызывать 70 снижение плотности и массы поступающего в цилиндр свежего заряда, контактирующего с ними; уменьшаться из-за сокращения времени контакта свежего заряда с нагретыми поверхностями, что должно повышать плотность и массу поступающего в цилиндр свежего заряда. Поэтому при общей тенденции к уменьшению подогрева смеси с увеличением частоты вращения влияние этого фактора у разных двигателей различно. Для двигателей легковых автомобилей важно сочетать высокое значение крутящего момента на средних частотах вращения с большой мощностью при повышенных частотах. Это необходимо для обеспечения требуемой динамики разгона автомобиля и его максимальной скорости. Поэтому в таких двигателях стремятся получить большое значение v при средних частотах вращения и его относительно малое снижение при высоких частотах вращения (рис. 4.11, кривая 1). Для двигателей грузовых автомобилей, прежде всего, необходимо обеспечить высокий крутящий момент, а следовательно, и наполнение при низких и средних частотах вращения (рис. 4.11, кривая 2). Для двигателей спортивных автомобилей максимального наполнения добиваются на высоких скоростных режимах (рис. 4.11, кривая 3), что обеспечивает получение максимальной мощности двигателя Nе.max и, соответственно, скорости движения автомобиля. В современных двигателях часто используют устройства регулирования фаз газораспределения (VANOS, VTEC, VTC), изменяющие в зависимости от режима работы двигателя моменты открытия и закрытия впускного клапана. Это позволяет плавно переходить от кривой 1 на рис. 4.11 к кривым 2 и 3. На среднее эффективное давление pе (Мк) при варьировании частоты вращения двигателя n, кроме индикаторных показателей, существенно влияет изменение механических потерь pмп, определяемых потерями как на трение, так и на газообмен. С увеличением частоты вращения n среднее давление механических потерь рм.п возрастает линейно, а мощность механических потерь Nм.п – по закону, близкому к квадратичному, 71 особенно при высоких n (рис. 4.9). Это вызывает снижение механического КПД, который определяется как ηм i 1 м.п i . Рис. 4.11. Изменение коэффициента наполнения по внешней скоростной характеристике в двигателях различного назначения Причина уменьшения механического КПД обусловлена тем, что увеличение темпа повышения pм.п, больше интенсивности изменения pе. Механический КПД оказывает влияние на формирование всех эффективных показателей двигателя. С увеличением частоты вращения среднее индикаторное давление pi изменяется в результате совместного воздействия i и v. Характер изменения показателей, определяющих протекание pе (Мк) по ВСХ ДсИЗ, представлен на рис. 4.12, а определяющих токсичность отработавших газов – на рис. 4.13. Как правило, с ростом частоты вращения сначала увеличивается pi (и соответственно Мi), достигая максимума при определенной частоте вращения, а затем уменьшается (рис. 4.9). При этом i растет из-за улучшения смесеобразования и сгорания, а также уменьшения относительных потерь теплоты в 72 стенки цилиндра, поскольку время контакта горячего рабочего тела с менее горячими стенками поверхностей в цилиндре сокращается. Величина pi также зависит от абсолютных значений v и и достигает максимума на ВСХ при задании мощностного состава смеси м и оптимального угла опережения зажигания. Эффективный крутящий момент Мк возрастает при увеличении частоты вращения по ВСХ, начиная от nmin, т. к. повышаются Мi и м. Максимум эффективного крутящего момента Мк (и пропорциональное ему среднее эффективное давление ре) несколько смещается по частоте вращения относительно максимума индикаторного момента с учетом влияния механических потерь и достигает максимума при nМк max. При дальнейшем повышении n Мк уменьшается вследствие ухудшения наполнения воздухом и возрастания механических потерь, вызывающих уменьшение Мi и м. Эффективная мощность двигателя Nе, пропорциональная произведению Мк ·n, продолжает возрастать по ВСХ за точкой nМкmax, достигая максимального значения при более высокой частоте nNе_max. Обычно для двигателей c искровым зажиганием nМк max = (0,45…0,85) nNе max. Важными оценочными параметрами, характеризующими устойчивость работы двигателя, являются коэффициент приспособляемости Кпр и коэффициент запаса крутящего момента Км, определяемые из соотношений: Mк max , (4.3) К пр Мк ном Км Мк max Мк ном Мк ном 100% . (4.4) У современных двигателей с искровым зажиганием Кпр 1,05…1,3 и Км 5…30 % . В ДсИЗ увеличение частоты вращения больше nNе.max обычно ведет к быстрому уменьшению мощности, что обусловлено возрастанием механических потерь и снижением коэффициента 73 наполнения (рис. 4.9). В условиях нормальной эксплуатации работа двигателя при n > nNе max нецелесообразна. Быстрое падение мощности при повышении n выше nNе_max приводит к тому, что при некотором значении nх_max, называемой максимальной частотой вращения холостого хода (рис. 4.9), эффективная мощность и эффективный крутящий момент двигателя становятся равными нулю, так как вся вырабатываемая в цилиндрах индикаторная работа расходуется только на преодоление механических потерь двигателя (Ni = Nм.п; Ne = 0). Двигатель при этом выходит на режим холостого хода при полностью открытой дроссельной заслонке. Для двигателей грузовых автомобилей, детали которых являются относительно тяжелыми, максимальная частота вращения может оказаться опасной с точки зрения надежности работы деталей вследствие увеличения сил инерции, а расход топлива двигателя при этом существенно возрастает. Поэтому такие двигатели оснащаются ограничителями частоты вращения, снижающими подачу ТВС при достижении некоторой предельной частоты nогр, которая может быть несколько ниже nном. В этом случае Nе.ном < Nе.max. При полном открытии дроссельной заслонки двигатель с искровым зажиганием не может устойчиво работать при частоте вращения ниже nmin. Это обусловлено ухудшением качества процессов газообмена и смесеобразования, а также несоответствия кривой Мк = f(n) характеру изменения внешних сопротивлений (рис. 4.9). Рабочий диапазон частоты вращения по ВСХ двигателя находится в пределах от nmin до nNе max. Часовой расход топлива Gт изменяется по ВСХ в соответствие с зависимостью: 2 (4.5) 60 ∙ 10 т в Параметры двигателя (i, Vh, ) и физико-химические свойства топлива (Hu, ℓ0) постоянны. Пренебрегаем изменением , так как оно по ВСХ невелико ( 0,9), и полагаем, что атмосферные условия (в) постоянны. Тогда основными факторами, влияющими на Gт, являются частота вращения n и коэффициент наполнения. 74 Определяющим фактором при ВСХ здесь является n, при увеличении которой растет количество рабочих циклов, повышая Gт. Изменения коэффициента наполнения по ВСХ формирует график часового расхода топлива как восходящую кривую. Величина эффективного КПД е определяется произведением i · м. При повышении n от nmin топливная экономичность улучшается из-за роста индикаторного КПД, а на высоких частотах вращения ухудшается в результате снижения механического КПД (рис. 4.12). Удельный эффективный расход топлива ge обратно пропорционален эффективному КПД. В зоне частот вращения выше nNe max удельный эффективный расход топлива быстро возрастает, стремясь к бесконечности при nx.min. В результате, работа двигателя становится нерациональной и с экономической точки зрения. Значение угла опережения зажигания φо.з с ростом частоты вращения увеличивается (рис. 4.12) из-за сокращения времени на реализацию рабочего цикла и необходимости выделения теплоты от сгорания в области ВМТ. Это обеспечивается системой управления двигателя соответствующими регулировками. Температура отработавших газов tr возрастает при повышении частоты вращения и неизменном положении дроссельной заслонки. Причинами этого являются уменьшение величины теплоотдачи от продуктов сгорания в стенки цилиндра при расширении и выпуске вследствие сокращения продолжительности цикла и повышения температуры деталей, а также некоторое затягивание догорания смеси, которое может иметь место, несмотря на увеличение опережения зажигания. Содержание токсичных веществ в ОГ при работе по ВСХ, в первую очередь, определяется регулировками систем питания и зажигания и в значительно меньшей степени – собственно изменением скоростного режима. На рисунке 4.13 представлен примерный характер изменения содержания СО, СH и NОх в ОГ двигателя по ВСХ. Изменение содержания СО определяется в основном изменением . Уменьшение содержания NOх при низких 75 частотах вращения в данном случае обусловлено совместным влиянием обогащения смеси и уменьшения угла опережения зажигания. Обычно на режимах ВСХ систему топливоподачи настраивают на получение в цилиндрах смеси мощностного состава, что приводит к повышенному содержанию СО в ОГ до нейтрализатора (в пределах 2…4%). С обогащением смеси несколько повышается и содержание в ОГ несгоревших углеводородов (СH). Содержание NOх по ВСХ при полностью открытой ДЗ в ОГ меньше, чем при средних нагрузках, так как двигатель работает на обогащенной смеси и в продуктах сгорания отсутствует свободный кислород. Однако при таком составе смеси каталитический нейтрализатор не может работать эффективно, так как в ОГ отсутствует свободный кислород, необходимый для окисления продуктов неполного сгорания (СО и СН). Поэтому для выполнения норм выбросов токсичных веществ с ОГ в двигатель приходится подавать смесь с = 1,0, что приводит к снижению его мощности. Чтобы избежать падения мощности двигателя и одновременно снизить выбросы СО, СН и NОх с ОГ в двигатель можно подавать смесь мощностного состава, а в продукты сгорания перед нейтрализатором вводить дополнительный воздух так, чтобы соотношение продуктов неполного сгорания и свободного кислорода соответствовало смеси стехиометрического состава. Обычно, чтобы избежать появления детонации на режимах ВСХ при низких частотах вращения, опережение зажигания устанавливают меньше оптимального по топливной экономичности, что одновременно способствует снижению выбросов СH и NOх. 76 Рис. 4.12. Внешняя характеристика (основные показатели) двигателя с искровым зажиганием при стехиометрическом составе смеси 77 Рис. 4.13. Внешняя характеристика двигателя с искровым зажиганием (показатели токсичности отработавших газов) при стехиометрическом составе смеси 78 4.3.1. Методика определения внешней скоростной характеристики при проведении лабораторной работы на тормозном стенде Правила определения внешней скоростной характеристики и представления результатов определяются ГОСТ 14846-2020 “Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний”. Перед проведением испытаний двигатель прогревают на малых нагрузках. Затем полностью открывают дроссельную заслонку и, одновременно увеличивая нагрузку, создаваемую тормозом, устанавливают скоростной режим, соответствующий минимальной устойчивой частоте вращения nmin. Это – первая точка внешней скоростной характеристики. После стабилизации теплового режима производят измерения необходимых показателей работы двигателя, которые заносят в протокол испытаний или регистрируют с помощью автоматизированной системы сбора информации. Далее, изменяя регулировку тормозной установки и при неизменном положении ДЗ, устанавливают следующий скоростной режим, при котором после стабилизации теплового состояния производят измерение показателей работы двигателя на второй точке характеристики, и т. д. до частоты вращения, соответствующей 1,1_·_nном. Обычно частоты вращения устанавливают кратными 500 мин-1. На каждой выбранной частоте вращения измеряют и регистрируют: крутящий момент двигателя Мк, частоту вращения n, часовой расход топлива Gт, объемный часовой расход воздуха Vв, температуру отработавших газов tr, воды tw, масла tм, угол опережения зажигания φо.з, содержание токсичных веществ в ОГ, а также параметры атмосферного воздуха B0, Т0. На основе результатов измерений вычисляют значения эффективной мощности Nе, удельного расхода топлива gе, плотности воздуха ρв, массового расхода воздуха Gв, коэффициента наполнения v, коэффициента избытка воздуха , а также значения мощности и крутящего момента, приведенные к стандартным 79 атмосферным условиям, Nе0 и Мк0. Итоговые графики строят по образцам, приведенным на рис. 4.12 и 4.13. 4.3.2. Приведение показателей двигателя к стандартным атмосферным условиям Окружающие атмосферные условия сложным образом влияют на работу двигателя и его показатели. Для того чтобы иметь возможность сопоставлять результаты испытаний, проведенных в разное время, в разных местах и, следовательно, при разных атмосферных условиях, и сравнивать их с техническими характеристиками и паспортными данными различных двигателей, их мощностные показатели принято приводить к стандартным атмосферным условиям. Правила приведения показателей автомобильных и тракторных двигателей к стандартным условиям устанавливаются международной организацией стандартизации ISO, а в нашей стране – государственными стандартами: ГОСТ 14846-2020 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний»; ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний». При испытаниях двигателей по ГОСТ 14846-2020 их показатели приводят к следующим стандартным атмосферным условиям: атмосферное давление p0 = 100 кПа (В0 = 750 мм рт. ст.); температура воздуха Т0 = 298 К (+25 0С); парциальное давление сухого воздуха pв.сух = 99 кПа. Стандартом предусмотрены и требования к топливам, которые используются при испытаниях. Для автомобильных двигателей к стандартным атмосферным условиям приводят значения мощности (Nе), крутящего момента (Мк) и среднего эффективного давления (pе). Для приведения к нормальным условиям полученные при испытаниях значения Nе, Мк, pе умножают на поправочный коэффициент Ки: Nе0 = Ки·Nе, Мк0 = Ки·Мк; pе0 = Ки·pе, (4.6) 80 где Nе0, Мк0, pе0 – соответственно приведенные к стандартным условиям значения мощности, крутящего момента и среднего эффективного давления. Поправочный коэффициент Ки определяют с учетом влажности окружающего воздуха по правилам, приведенным в ГОСТ 14846-81: Ки 99 p p вп T , 298 (4.7) где р – атмосферное давление в кПа, pвп – давление водяных паров при испытаниях, кПа, Т – температура в К. Давление водяных паров определяют в том же помещении, где проводят испытания. Правила определения парциального давления водяного пара в воздухе приведены в ГОСТ 14846-81. При обработке данных настоящих лабораторных работ используют упрощенный Ки: 100 T p 298 , (4.8) Ки изменяется в пределах 0,93 ≤ Ки ≤1,07. Если он выходит за них, то его используют, но в протоколе и на графиках указывают его значение и атмосферные условия при испытаниях. Изменение мощности и крутящего момента по ВСХ, приведенные к стандартным атмосферным условиям, представлены пунктирно на рис. 4.12. Ки 4.3.3. Методика определения скоростных характеристик на виртуальной лабораторной установке Практикум позволяет определять как внешнюю скоростную характеристику, так и частичные скоростные. После запуска двигателя с помощью регулятора нагрузки устанавливают необходимое положение дроссельной заслонки, которое в дальнейшем не изменяется. Скоростная характеристика определяется от минимальной устойчивой до максимальной частоты вращения двигателя. С помощью регулятора частоты вращения изменяют частоту вращения коленчатого вала двигателя от 1000 до 4500 мин-1 с шагом 500…1000 81 мин-1. После достижения установившегося режима для фиксации показателей двигателя необходимо нажимать кнопку Замер для занесения результатов измерений в протокол. Для определения изменения индикаторных показателей по скоростной характеристике необходимо измерить механические потери в двигателе. Для этого отключают подачу топлива, нажав на кнопку Стоп, и стенд переводится в режим прокрутки: коленчатый вал двигателя прокручивается от тормоза (рис. 4.14). Далее посредством изменения режима работы тормоза последовательно устанавливают с помощью регулятора частоту вращения двигателя, соответствующую каждому снятому режиму скоростной характеристики. При достижении требуемого скоростного режима нажимают кнопку Замер и определяют момент прокрутки. Индикатор частоты вращения Значения момента прокрутки Рис. 4.14. Определение механических потерь при снятии скоростной характеристики При выполнении лабораторной работы можно сравнить скоростные характеристики, полученные для различных условий. 82 Вопросы для самоконтроля 1. Приведите определение скоростной характеристикой ДсИЗ. 2. Чем отличается внешняя скоростная характеристика от частичной? 3. С какой целью определяют внешнюю скоростную характеристику двигателя? 4. Какие характерные режимы и показатели ДсИЗ определяются по ВСХ? 5. Как производится снятие ВСХ ДсИЗ на тормозном стенде? 6. Что такое максимальная и номинальная мощность двигателя? 7. Что такое минимальная частота вращения и максимальная частота холостого хода по ВСХ и чем она определяется? 8. Что такое коэффициент приспособляемости и какова его роль в оценке эксплуатационных показателей автомобиля? В каких пределах он изменяется для ДсИЗ? 9. Как и почему изменяются по ВСХ ДсИЗ параметры Мк, Nе, , v, Gт, ge, ηi, ηм? 10. Как и почему изменяются по ВСХ параметры токсичности СО, СН и NOx? 11. Зачем и какие показатели двигателя с искровым зажиганием принято приводить к стандартным атмосферным условиям при ВСХ? 4.4. Нагрузочная характеристика двигателя с искровым зажиганием Топливная экономичность и токсичность отработавших газов двигателя существенно зависят от его нагрузки. Для того чтобы проанализировать показатели двигателя при различной нагрузке (мощности), используют его нагрузочные характеристики. Нагрузочной характеристикой двигателя (НХ) называют зависимость основных показателей двигателя от его мощности (нагрузки) при постоянной частоте вращения и неизменной температуре охлаждающей жидкости и масла. 83 Работу двигателя по нагрузочной характеристике можно проиллюстрировать движением автомобиля с постоянной скоростью (при неизменной передаче в коробке передач) по дороге, которая плавно меняет свой профиль: вначале идет на подъем, затем горизонтальная, затем идет на уклон. Для поддержания постоянной скорости водитель должен уменьшать нажатие на педаль акселератора. Важнейшими показателями двигателя по нагрузочной характеристике являются часовой расход топлива Gт и удельный эффективный расход топлива ge. В зависимости от целей испытаний при построении нагрузочной характеристики используют и другие показатели двигателя. На рисунке 4.15 представлена типичная нагрузочная характеристика двигателя с искровым зажиганием. При построении нагрузочной характеристики показатели двигателя изображают в зависимости от его мощности Nе, крутящего момента Мк, или среднего эффективного давления pе. Иногда эти величины откладывают не в абсолютных значениях, а в процентах от их максимального значения для данной частоты вращения. Различают два типа нагрузочных характеристик: нагрузочную характеристику при оптимальном по экономичности регулировании двигателя, т. е. характеристику оптимального регулирования (ХОР), и нагрузочную характеристику при ее реальных регулировках. При определении ХОР для каждого значения мощности (нагрузки) с помощью регулировочных характеристик подбирают такие регулировки всех систем двигателя (зажигания, подачи топлива, рециркуляции отработавших газов и т. д.), которые обеспечивают наименьшие возможные для данного двигателя значения удельного расхода топлива. 84 Рис. 4.15. Нагрузочная характеристика двигателя с искровым зажиганием 85 ХОР позволяет оценить предельную топливную экономичность двигателя и сопоставить предельные показатели различных двигателей в этих условиях. Такие характеристики чаще всего используют при исследованиях и доводке двигателя для оценки степени совершенства его рабочих процессов. Реальные нагрузочные характеристики определяют при регулировках, обеспечиваемых электронной системой управления. Такие характеристики позволяют: по серии характеристик, снятых при различных частотах вращения, оценить фактические экономические и токсические показатели двигателя во всем поле его активных режимов и сопоставить их с показателями других двигателей; выбрать режимы работы, обеспечивающие наиболее благоприятные экономические и токсические показатели, что важно при подборе двигателя для автомобиля, выборе передаточных чисел трансмиссии автомобиля или условий работы двигателя в качестве стационарной силовой установки; путем сравнения ХОР и реальных нагрузочных характеристик оценить правильность установленных регулировок систем двигателя; рассчитать экономические и токсические показатели автомобиля при заданных условиях его движения. Эффективная мощность двигателя определяется с помощью следующих зависимостей Ne = Mк n / 9550 = pe ·n ·iVh / (30·τ) При снятии нагрузочной характеристики частота вращения постоянна. Поэтому в качестве аргумента при ее снятии могут быть как эффективная мощность Ne или эффективный крутящий момент Mк , так и среднее эффективное давление pe. Среднее эффективное давление pe в соответствии с формулой академика АН СССР Б.С. Стечкина определяется зависимостью: η ∙ ηм ∙ ∙ η ∙ ρк ∙ η м 86 В ДсИЗ управление нагрузкой осуществляется путем изменения положения дроссельной заслонки (ДЗ). Для уменьшения мощности двигателя ее прикрывают, вызывая рост гидравлического сопротивления впускного тракта. При этом уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндры двигателя. Прикрытие ДЗ приводит к: росту потерь давления на впуске (pк) и, соответственно, к уменьшению коэффициента наполнения; снижению часовых расходов топлива Gт, и воздуха Gв, кг/ч. В ДсИЗ смесеобразование происходит вне цилиндра (является внешним). Он может работать в относительно узком диапазоне составов смеси (), мощность двигателя по нагрузочной характеристике изменяют, меняя количество смеси, поступающей в цилиндры, т. е. применяют количественный метод регулирования мощности. При полном открытии дроссельной заслонки от двигателя, не оборудованного нейтрализатором ОГ, требуется максимальная мощность и он должен работать на смеси близкой к мощностному составу ( = 0,85…0,95). При этом из-за химической неполноты сгорания топлива несколько ухудшается топливная экономичность: увеличивается удельный эффективный расход топлива (см. рис. 4.16). Как только начинают прикрывать ДЗ от двигателя не требуется полная мощность и он должен подавать смесь экономического состава = 1,1…1,25. Это заметно улучшает его топливную экономичность (повышает е и снижает ge). Современные автомобильные двигатели оснащены трехкомпонентными окислительно-восстановительными каталитическими нейтрализаторами ОГ. Они при 1 не могут восстанавливать оксиды азота NOх до азота и кислорода. Поэтому по мере прикрытия ДЗ для сохранения эффективной работы нейтрализатора, переходят на работу двигателя со стехиометрическим составом смеси ( = 1) и стремятся сохранить его вплоть до режима холостого хода. Это не всегда удается, так как при сильном прикрытии дроссельной заслонки из-за уменьшения 87 турбулентности заряда и разбавления его остаточными газами ухудшаются условия воспламенения и сгорания смеси. Индикаторный КПД в значительной мере определяется составом рабочей смеси. Переход на стехиометрический состав смеси по сравнению с работой на обедненных смесях сопровождается снижением индикаторного КПД и топливной экономичности, которое при нагрузках 70…80% от полной может достигать 6…8%. На рисунке 4.16 представлено сравнение изменения состава смеси и удельного эффективного расхода топлива по НХ в двигателе, при использовании трехкомпонентного нейтрализатора ОГ (стехиометрическая смесь), и без него (обедненная смесь). Рис. 4.16. Влияние перевода двигателя с экономического состава смеси на стехиометрический ( = 1) на его топливную экономичность по нагрузочной характеристике Такое ухудшение топливной экономичности можно несколько снизить. Для этого при частичных, но достаточно больших нагрузках можно добавлять в рабочую смесь рециркулирующие ОГ, сохраняя = 1. При этом увеличивается индикаторный КПД и снижаются потери на газообмен, а эффективность работы нейтрализатора не ухудшается, так как в продуктах сгорания не появляется свободный кислород. 88 При очень малых нагрузках возможно ухудшение процесса сгорания, приводящее к снижению индикаторного КПД. Однако при этом изменение индикаторного КПД не является главной причиной изменения топливной экономичности. Механический КПД м более существенно оказывает влияние на е двигателя. Механические потери в двигателе при постоянной частоте вращения с изменением нагрузки практически постоянны. Но из-за уменьшения индикаторной мощности Ni механический КПД быстро снижается и на режиме холостого хода, когда Ni = Nм.п будет равен нулю. По мере снижения мощности двигателя при прикрытии ДЗ уменьшение м вызывает быстрый рост удельного эффективного расхода топлива ge, который стремится к бесконечности по мере приближения к режиму холостого хода. Это связано с тем, что по мере прикрытия ДЗ все бόльшая часть теплоты снижающегося часового расхода топлива Gт расходуется на преодоление внутренних потерь в двигателе. На рисунках 4.17 и 4.18 представлено изменение показателей рабочего процесса и токсичности ОГ по нагрузочной характеристике двигателя с искровым зажиганием. Наиболее экономичная работа двигателя (gе = min) соответствует нагрузке, составляющей 75…85% от максимальной, когда получается максимальная величина произведения е = i · м (рис. 4.15 и рис. 4.17). Оптимальный угол опережения зажигания по нагрузочной характеристике на участке от максимальной мощности до максимальной экономичности быстро увеличивается, так как состав рабочей смеси обедняется. Дальнейшее прикрытие ДЗ вызывает ухудшение условий сгорания рабочей смеси и обуславливает необходимость некоторого увеличения оптимального опережения зажигания. И лишь при очень малых нагрузках, близких к холостому ходу, УОЗ может вновь уменьшиться в связи с ухудшением условий воспламенения смеси (рис. 4.15). При изменении мощности двигателя содержание токсичных веществ в отработавших газах изменяется сложным образом. 89 Сгорание становится менее устойчивым, смесь приходится обогащать. Это вызывает рост содержания СО и CH. При полном открытии дроссельной заслонки, когда в двигатель подается обогащенная смесь, содержание оксида углерода СО и несгоревших углеводородов CH повышено (рис. 4.18). По мере прикрытия ДЗ и обеднения смеси содержание СО и CH в отработавших газах уменьшается. Лишь при очень малых нагрузках, когда сгорание становится менее устойчивым, смесь приходится обогащать. Это вызывает рост содержания СО и CH. Содержание оксидов азота NOх в продуктах сгорания при полном открытии дроссельной заслонки невелико, так как двигатель работает на обогащенной смеси и в продуктах сгорания нет избыточного кислорода, необходимого для образования оксидов азота. По мере прикрытия ДЗ и обеднения смеси (особенно если смесь обедняется выше = 1) содержание NОх в ОГ резко возрастает, так как температура в камере сгорания на этих режимах достаточно высока и имеется свободный кислород в продуктах сгорания. Максимум содержания NОх примерно соответствует режиму наилучшей топливной экономичности. При дальнейшем прикрытии ДЗ концентрация NОх снижается, так как из-за разбавления смеси остаточными газами максимальные температуры газов в камере сгорания уменьшаются, что тормозит образование NОх. 4.4.1. Методика определения нагрузочной характеристики на тормозном стенде Правила определения нагрузочной характеристики и представления результатов определяются ГОСТ 14846-2020 “Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний”. 90 Рис. 4.17. Нагрузочная характеристика двигателя с искровым зажиганием. Показатели рабочего процесса 91 Рис. 4.18. Нагрузочная характеристика двигателя с искровым зажиганием. Показатели токсичности ОГ 92 Перед началом проведения экспериментов двигатель прогревают при малой нагрузке. Затем полностью открывают дроссельную заслонку и, одновременно увеличивая нагрузку, создаваемую тормозом, устанавливают заданную частоту вращения. После стабилизации теплового состояния двигателя производят измерение всех необходимых показателей на первой точке характеристики. Для перехода к следующей точке характеристики частично прикрывают ДЗ, уменьшая мощность двигателя на желаемую величину, и вновь регулируют нагрузку, создаваемую тормозом, для поддержания заданной частоты вращения. После стабилизации теплового состояния двигателя проводят измерения на второй точке характеристики и т. д. Процедура повторяется при последовательном снижении мощности вплоть до режима холостого хода. Для того чтобы точно выявить режим максимальной экономичности в диапазоне нагрузок от 70% до максимальной, точки располагают более часто. На каждой точке характеристики измеряют: крутящий момент двигателя Мк; частоту вращения n; расход топлива Gт; объемный (Vв) или массовый (Gв) расход воздуха; угол опережения зажигания о.з., параметры атмосферного воздуха (В0, t0 и в); содержание токсичных веществ в отработавших газах и необходимые температуры: tw, tм, tr. Для определения индикаторных показателей двигателя и механического КПД после снятия НХ определяют мощность механических потерь в двигателе путем его прокручивания от электротормоза в режиме электродвигателя. Это производят при заданной частоте вращения характеристики и полностью открытой ДЗ без подачи топлива и с выключенным зажиганием. Тепловой режим двигателя необходимо сохранять таким же, как и при снятии нагрузочной характеристики. На основе результатов измерений вычисляют значения эффективной мощности Nе, удельного эффективного расхода топлива gе, плотности воздуха ρв, массового расхода воздуха Gв, коэффициента наполнения v, коэффициента избытка воздуха , а также значения мощности и крутящего момента, приведенные к 93 стандартным атмосферным условиям, Nе0 и Мк0. Итоговые графики строят подобно примерам, представленным на рис. 4.15, 4.17 и 4.18. При обработке результатов испытаний по снятию НХ показатели двигателя не приводят к нормальным атмосферным условиям. При построении нагрузочной характеристики должны быть выявлены следующие характерные точки и показатели: минимальный удельный эффективный расход топлива; часовой расход топлива при полном открытии дроссельной заслонки Gт max; часовой расход топлива на режиме холостого хода (или при наименьшей по характеристике мощности двигателя); коэффициенты избытка воздуха, соответствующие работе двигателя: при полностью открытой ДЗ, при минимальном удельном эффективном расходе топлива и на холостом ходу (или при наименьшем по характеристике значении мощности двигателя). 4.4.2. Методика определения нагрузочной характеристики на виртуальной лабораторной установке В начале эксперимента полностью открывают дроссельную заслонку и устанавливают заданную частоту вращения коленчатого вала двигателя, изменяя нагрузку тормоза. После стабилизации теплового режима двигателя производят измерение показателей двигателя. Это первая точка характеристики. Далее прикрывают дроссельную заслонку таким образом, чтобы уменьшить крутящий момент (Мк) на 10…15% от исходного значения. При прикрытии дроссельной заслонки двигатель снижает частоту вращения. Поэтому необходимо, не меняя положения дроссельной заслонки, восстановить исходную частоту вращения двигателя, изменяя нагрузку тормоза. Только после этого данные измерений заносят в протокол. По мере дальнейшего прикрытия ДЗ измерения производят в том же порядке до момента начала неустойчивой работы двигателя. 94 Для определения механических потерь необходимо перевести двигатель в режим прокрутки, отключив подачу топлива и зажигание. Предполагается, что действительные механические потери в двигателе мало зависят от нагрузки. Поэтому измерение условного момента механических потерь производится только на одном режиме при частоте вращения, на которой определялась характеристика, и при полностью открытой дроссельной заслонке. В дальнейшем данное значение момента прокрутки используется в качестве момента механических потерь для всех точек характеристики. Как и при определении предыдущих характеристик, существует возможность сравнения показателей двигателя по нагрузочным характеристикам, определенным при различных условиях. Например, сравнение нагрузочных характеристик, полученных при разной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Вопросы для самоконтроля 1. Приведите определение нагрузочной характеристики ДсИЗ. 2. С какой целью определяют нагрузочные характеристики (НХ) двигателя? 3. Что такое количественный метод регулирования мощности ДсИЗ? 4. Как производится снятие НХ двигателя? 5. Чем отличается реальная НХ ДсИЗ от НХ оптимального регулирования? 6. Что такое режим холостого хода? Каковы значения механического КПД ДсИЗ и ge на режиме холостого хода? 7. Как и почему изменяются по нагрузочной характеристике значения , v, i, м, Gт, ge? 9. Как изменяется содержание основных токсичных веществ (СО, СН и NOх) в отработавших газах по НХ двигателя? 10. В каком случае достигается минимальная величина ge по НХ? 4.5. Скоростные характеристики дизеля Внешней скоростной характеристикой (ВСХ) дизеля называется зависимость от частоты вращения его основных 95 показателей (эффективной мощности Ne, крутящего момента Mк, часового Gт и удельного эффективного ge расходов топлива, коэффициента наполнения ηv и др.) в диапазоне от минимальной рабочей частоты вращения nmin до номинальной частоты nном при положении рычага управления дизелем (РУД), соответствующим максимальной подаче топлива (ГОСТ 14846-2020). Это происходит при максимальном нажатии педали акселератора на автомобиле. Регуляторная ветвь характеристики дизеля – это зависимость его показателей от частоты вращения в диапазоне от номинальной частоты вращения nном до максимальной частоты вращения холостого хода nx max. Номинальная частота вращения дизеля соответствует его паспортной мощности. Максимальная частота вращения, как показано ниже, может быть несколько больше. Кроме внешней, получают частичные скоростные характеристики (ЧСХ), которые снимаются при положении РУД, соответствующем цикловой подаче топлива меньше максимальной. Необходимость регулирования частоты вращения дизеля на холостом ходу Устойчивость работы дизеля с топливной системой непосредственного действия, включающей топливный насос высокого давления (ТНВД), соединенный топливными трубками высокого давления с форсунками, не имеющей электронного управления, на холостом ходу иллюстрируется на рис. 4.19. При неизменном положении РУД с увеличением частоты вращения цикловая подача топлива несколько повышается. Это связано с совместным влиянием вязкости и сжимаемости топлива при том способе дозирования топлива, который используется в ТНВД. Поэтому при случайном увеличении частоты вращения индикаторный крутящий момент Мi (кривая 1), развиваемый дизелем, становится больше момента сопротивления Мс, (кривая 3) и это вызывает дальнейший рост частоты вращения. И наоборот, любое случайное снижение частоты вращения приводит к уменьшению цикловой подачи топлива, и развиваемый 96 дизелем индикаторный крутящий момент становится меньше момента сопротивления, что вызывает дальнейшее падение частоты вращения и дизель может заглохнуть. Регулятор несколько увеличивает цикловую подачу топлива, если частота вращения холостого хода снижается по сравнению с заданной, и уменьшает, если она увеличивается. При изменении характера кривой индикаторного крутящего момента Мi = f(n) без регулятора (кривая 1 на рис 4.19) на кривую с регулятором (кривая 2 на рис 4.19) частота вращения холостого хода дизеля становится стабильной. Рис. 4.19. Устойчивость работы дизеля на холостом ходу: 1 и 2 – индикаторный момент дизеля, соответственно, при отсутствии и наличии регулятора; 3 – момент сопротивления Необходимость ограничения частоты вращения дизеля на номинальном режиме При снижении внешней нагрузки и большой цикловой подаче топлива дизель может увеличить частоту вращения до величины, при которой произойдет разрушение его деталей (дизель "пойдет вразнос"). Такая ситуация также может возникнуть, если водитель нажмет до упора на педаль акселератора при включённой нейтральной передаче. Поэтому регулятор должен ограничивать максимальную частоту вращения дизеля путем уменьшения цикловой подачи топлива. 97 Необходимость прямой коррекции внешней скоростной характеристики дизеля Чем больше максимальный крутящий момент (Мк.max) на ВСХ относительно крутящего момента на номинальном режиме (Мк.ном ), и чем меньше частота вращения, при которой достигается Мк.max (nк.макс), тем меньше будет изменение частоты вращения дизеля и скорости автомобиля при увеличении внешней нагрузки (рис. 4.20). В итоге требуется реже переключать передачи, что облегчает труд водителя, а также улучшается топливная экономичность, поскольку переключение на низшие передачи неизбежно приводит к повышению расхода топлива. Повышение максимального крутящего момента по сравнению с номинальным оценивается коэффициентом запаса крутящего и коэффициентом приспособляемости Кпр, момента Км определяемыми по следующей зависимости: Mк max M к ном . Км М к ном Увеличение цикловой подачи топлива при уменьшении частоты вращения от nном до nM (прямая коррекция) обеспечивает рост Мк. Применение наддува на современных дизелях позволяет значительно повысить запас крутящего момента и уменьшить частоту вращения, при котором он достигается. Регуляторы частоты вращения Вид скоростных характеристик существенно зависит от типа применяемой топливной аппаратуры и системы регулирования частоты вращения. На автотракторных дизелях с топливной аппаратурой непосредственного действия без системы электронного управления применяются два основных типа механических регуляторов - всережимный и двухрежимный. Двухрежимный регулятор выполняет следующие функции: ограничивает максимальную частоту вращения; 98 обеспечивает стабильность минимальной частоты вращения (холостого хода); выполняет функцию прямой коррекции внешней скоростной характеристики дизеля. При использовании двухрежимного регулятора водитель, нажимая на педаль акселератора, задает с помощью РУД величину цикловой подачи топлива, впрыскиваемого в цилиндр. На рисунке 4.20 схематично представлена скоростная характеристика дизеля с двухрежимным регулятором при работе на полной и частичной нагрузках. Скорость автомобиля зависит от сопротивления движению. Например, при подъеме в гору скорость уменьшается и для ее поддержания постоянной, водитель должен увеличить нажатие на педаль акселератора. Рис. 4.20. Скоростные характеристики дизеля с двухрежимным регулятором: 1 – при полной нагрузке (ВСХ); 2 – при частичной нагрузке (ЧСХ); 3 – регулирование частоты вращения холостого хода; 4 – регуляторная ветвь Всережимный регулятор выполняет те же функции, что двухрежимный, а также дополнительно поддерживает практически постоянной частоту вращения двигателя для каждой величины нажатия на педаль акселератора на автомобиле или перемещения рычага управления подачей топлива на тракторе. При этом отклонения частоты вращения в обе стороны могут составлять несколько процентов. 99 Такой регулятор, как правило, используется на дизелях дорожно-строительной техники. Например, когда ковш бульдозера врезается в кучу песка, сопротивление движению возрастает. При этом регулятор автоматически увеличивает цикловую подачу топлива, чтобы избежать снижения скорости движения. Если всережимный регулятор установлен на автомобильном двигателе, водитель, нажимая на педаль акселератора, задает требуемую скорость движения. Тогда, например, если дорога пошла на подъем, регулятор автоматически увеличивает цикловую подачу топлива, чтобы скорость не изменилась. Всережимный регулятор облегчает труд водителя, в частности, при движении в колонне, когда, нажав один раз на педаль акселератора, водитель устанавливает дистанцию до впереди движущегося автомобиля и может в дальнейшем лишь слегка корректировать положение педали, поскольку независимо от профиля дороги скорость автомобиля будет меняться незначительно. Однако нужно иметь в виду, что на автомобилях всережимный регулятор приводит к увеличению расхода топлива. На рисунке 4.21 схематично представлена скоростная характеристика дизеля с всережимным регулятором. Рис. 4.21. Скоростная характеристика дизеля с всережимным регулятором: 1 – внешняя скоростная характеристика; 2…6 – регуляторные ветви для различных частот вращения при изменении частоты вращения от минимальной до номинальной Основу любого механического регулятора составляет простое устройство с грузиками, закрепленными на вращающемся валу на рычагах, позволяющим им отклоняться от вала при вращении 100 под действием центробежной силы (рис. 4.22). При увеличении частоты вращения вала 1 грузики 2 отклоняются и рычаги, соединенные с шаровым элементом 3, перемещают муфту 4 вправо, как показано стрелками. Муфта 4 всегда прижимается к шаровому элементу 3 пружиной, не показанной на рисунке. При уменьшении частоты вращения коленчатого вала все происходит в обратном направлении. Муфта 3 соединена через сложную систему рычагов и пружин с РУД. Это позволят выполнять все названные выше функции путем изменения цикловой подачи топлива в зависимости от частоты вращения двигателя. Рис. 4.22. Основной элемент центробежного регулятора: 1 – вал; 2 – грузики; 3 – соединительный шаровой элемент; 4 – муфта; 5 – направление вращения В современном автотракторном дизеле функции регуляторов выполняет система электронного управления. Она же определяют характер изменения подачи воздуха и цикловой подачи топлива, угла опережения впрыскивания топлива и регулирования ряда других параметров дизеля по скоростной характеристике. При необходимости функцию всережимного регулятора на автомобилях выполняет система «круиз-контроля», позволяющая поддерживать постоянной скорость, которую задал водитель. Очевидно, что при электронном управлении достигается сочетание наилучших параметров мощности, топливной экономичности и экологичности дизеля. В настоящее время применяются также более гибкие способы управления подачей топлива и воздуха, связанные с применением аккумуляторных топливных систем (за рубежом – Common Rail), 101 регулируемых систем наддува и электронного значительным количеством параметров двигателя. управления Принцип работы дизеля с турбонаддувом Схема дизеля с газотурбинным наддувом (турбонаддувом) представлена на рис. 4.23. Отработавшие газы (ОГ) выходят из цилиндра через выпускной клапан и подаются на вход турбины 1 турбокомпрессора. В выпускном коллекторе ОГ имеют давление рт и температуру tт. Проходя через колесо турбины, ОГ вызывают его вращение и затем выходят в систему выпуска, где давление рт0 на 5…10% превышает атмосферное за счет наличия глушителей, а также, возможно, фильтра частиц и нейтрализатора. Колесо турбины вращает колесо компрессора 2, куда поступает воздух с давлением р0, которое на 3…5% меньше атмосферного за счет гидравлических потерь во впускной системе, прежде всего в воздушном фильтре. Воздух сжимается в компрессоре до давления наддува рк и нагревается до температуры наддува tк. Между компрессором и впускным клапаном может устанавливаться охладитель наддувочного воздуха (ОНВ), который снижает tк для увеличения плотности и массы воздуха, поступающего в цилиндр. Это позволяет сжечь больше топлива, что приводит к повышению мощности и топливной экономичности. ОНВ также позволяет снизить температуру нагретых деталей в цилиндре двигателя. Анализ изменения параметров дизеля с наддувом по внешней скоростной характеристике Изменение основных показателей дизеля с наддувом по ВСХ имеет сложный характер, поскольку показатели поршневой части двигателя и системы наддува взаимно влияют друг на друга. Параметры системы наддува в значительной степени определяются частотой вращения ротора nр, установленного в корпусе турбокомпрессора. 102 Рис. 4.23. Схема дизеля с газотурбинным наддувом Ротором называют вращающиеся элементы турбокомпрессора, включающие колеса турбины и компрессора, а также соединяющий их вал. Турбокомпрессоры проектируются так, чтобы окружная скорость на наружном диаметре колеса компрессора не превышала предельной для его прочности величины 500…550 м/с. Поэтому чем больше диаметр колеса компрессора, тем меньше частота вращения nр. Для дизелей грузовых автомобилей ротора nр = 70000...100000 мин-1, а легковых – 200000…250000 мин-1 При повышении частоты вращения коленчатого вала n по ВСХ последовательно увеличиваются следующие показатели дизеля и системы наддува: расход воздуха через двигатель Gв и компрессор Gк; расход Gт и давление рт газа перед турбиной; температура газа перед турбиной tт; удельная адиабатная работа газа перед турбиной lт, так как она повышается при увеличении рт и tт; мощность турбины Nт, так как она повышается при снижении lт и Gт частота вращения ротора турбокомпрессора nр; давление наддувочного воздуха рк; 103 температура наддувочного воздуха tк. Эти показатели оказывают взаимное влияние друг на друга. Так, например: повышение частоты вращения ротора nр и давления наддува рк вызывает дополнительный рост расхода воздуха через двигатель Gв и компрессор Gк; повышение температуры наддувочного воздуха tк приводит к дополнительному увеличению температуры газа перед турбиной tт. Внешние скоростные характеристики дизеля с регуляторной ветвью представлены на рис. 4.24 и 4.25. Крутящий момент Мк: увеличивается с ростом n в диапазоне частот вращения от nmin до nк_max (рис. 4.20) в связи с ростом плотности надувочного воздуха и индикаторного КПД; снижается в диапазоне от nк max до nном в основном из-за роста механических потерь, которые уменьшают механический КПД. Для получения высокого запаса крутящего момента прямой корректор увеличивает цикловую подачу топлива на режиме n к_max. Эффективная мощность Nе = f(n) возрастает с ростом n, т. к. она прямо пропорционально зависит от частоты вращения. Поскольку Mк достигает максимума в зоне средних частот вращения, то кривая Nе имеет выпуклую форму. Зависимость коэффициента наполнения v от частоты вращения носит сложный характер. У дизеля без наддува v снижается: на малых n – из-за увеличения подогрева заряда от стенок цилиндра, поскольку длительность контакта заряда со стенками увеличивается; на высоких n – из-за роста гидравлических потерь на впуске, которые зависят от скорости движения воздуха в квадрате. 104 Рис. 4.24. Внешняя скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью. Основные показатели работы дизеля 105 Рис. 4.25. Внешняя скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью. Механический и индикаторный КПД, параметры системы наддува 106 У дизеля с наддувом рост v при увеличении n, кроме названных выше факторов для безнаддувного дизеля, дополняют: повышение температуры наддувочного воздуха, увеличивающей перепад температур между рабочим телом и стенками цилиндра, что уменьшает подогрев свежего заряда и несколько повышает v; повышение давления наддува, что увеличивает плотность свежего заряда, поступающего в цилиндр. Это уменьшает относительные гидравлические потери и несколько повышает v. У дизеля с наддувом с учетом всех указанных причин с ростом частоты вращения v непрерывно повышается. Также на величину v влияют отношение давлений наддува и газа перед турбиной рк/рт, фазы газораспределения, явление дозарядки. Коэффициент избытка воздуха α повышается с ростом n в связи с увеличением давления наддува. На изменение величины α также влияет увеличение коэффициента наполнения и работа корректоров цикловой подачи топлива. Индикаторный КПД i повышается с ростом n в связи со снижением потерь теплоты в систему охлаждения из-за уменьшения времени контакта рабочего тела со стенками, а также увеличения коэффициента избытка воздуха, что приводит к улучшению процессов смесеобразования и тепловыделения. Механический КПД м снижается с ростом n вследствие того, что все составляющие механических потерь увеличиваются. Дымность отработавших газов D снижается с ростом n в связи с увеличением турбулизации воздушного заряда, а также увеличением коэффициента избытка воздуха из-за повышения давления наддува. Удельный эффективный расход топлива ge достигает минимума при максимуме произведения индикаторного и механического КПД i_·_м. Обычно это достигается в диапазоне частоты вращения от nк max до nном. 107 Рост ge в диапазоне малых n связан с увеличением потерь теплоты в стенки (снижением индикаторного КПД), а в диапазоне высоких n – снижением механического КПД. У дизеля с наддувом ge обычно на 5…10% меньше, чем у аналогичного дизеля без наддува. Это в основном связано с более высоким механическим КПД, поскольку при наддуве мощность дизеля возрастает в большей степени, чем обе составляющие механических потерь – потери на трение и газообмен. Выбросы оксидов азота NOx увеличиваются с ростом n в связи с повышением максимальной температуры сгорания, поскольку потери теплоты в стенки уменьшаются. С ростом частоты вращения дизеля: частота вращения ротора nр увеличивается в связи с повышением мощности турбины Nт, поскольку она зависит от температуры ОГ, давления газов перед турбиной, расхода газов и эффективного КПД турбины, которые все увеличиваются; температура отработавших газов перед турбиной tт повышается в связи с уменьшением времени контакта рабочего тела со стенками цилиндра. Это снижает потери теплоты в процессе расширения. В результате увеличивается доля теплоты, отводимой с ОГ. У дизелей с наддувом с увеличением n рост tт несколько замедляется из-за повышения коэффициента избытка воздуха в связи с увеличением давления наддувочного воздуха рк; давление наддувочного воздуха рк увеличивается из-за повышения частоты вращения ротора; температура наддувочного воздуха tк возрастает из-за повышения давления наддувочного воздуха; давление ОГ перед турбиной рт повышается из-за увеличения расхода газов через турбину, поскольку турбина является гидравлическим сопротивлением на пути движения ОГ, а также в связи с ростом температуры ОГ. Для дизеля с наддувом поправочный коэффициент, определяющий отличие атмосферного давления и температуры от стандартных значений, рассчитывается по выражению: 108 0, 7 1,5 99 T Кп 0 , p0 298 где р0 – давление атмосферного воздуха, кПа, Т0 – температура атмосферного воздуха, К. Уровень структурного шума дизеля, излучаемого его наружными поверхностями, возрастает с повышением частоты вращения. В основном он определяется скоростью нарастания давления при сгорании (жесткостью рабочего процесса). В дизеле с наддувом уровень шумоизлучения от процесса сгорания меньше, чем у атмосферного дизеля, т. к. в связи с повышением температуры и давления воздуха на впуске сокращается период задержки воспламенения и жесткость процесса сгорания уменьшается. Регуляторная ветвь скоростной характеристики Изменение параметров по регуляторной ветви скоростной характеристики обусловлено уменьшением регулятором цикловой подачи топлива после достижения номинальной частоты вращения для предотвращения «разноса» дизеля. Для дизеля 8ЧН12/13 изменение частоты вращения по регуляторной ветви от nном до nх.max (рис. 4.20) составляет 2200…2400 мин-1. В результате: падают эффективный крутящий момент Мк и эффективная мощность Ne дизеля, и они достигают 0 при nx max; растет коэффициент избытка воздуха α; снижается температура отработавших газов tт; коэффициент наполнения ηv по регуляторной ветви изменяется мало, так как диапазон частоты вращения невелик. Кроме того, с ростом частоты вращения снижается подогрев заряда как из-за уменьшения времени теплообмена, так и вследствие уменьшения разности температур наддувочного воздуха и стенок цилиндра; характер изменения удельного эффективного расхода топлива ge по регуляторной ветви связан, в основном, со снижением механического КПД, поскольку мощность механических потерь в 109 диапазоне частот вращения от nном до nх.max изменяется незначительно, а эффективная мощность заметно падает. 4.5.1. Методика определения внешней скоростной характеристики дизеля с регуляторной ветвью на тормозном стенде Правила определения внешней скоростной характеристики и представления результатов определяются ГОСТ 14846-2020 “Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний”. Перед проведением испытаний дизель прогревают на малых нагрузках. Затем, после достижения рабочих температур смазочного масла и охлаждающей жидкости, перемещают РУД в положение, обеспечивающее максимальную цикловую подачу топлива, и регулировкой тормоза нагружают дизель, чтобы установить минимальную рабочую частоту вращения nmin. После стабилизации теплового режима производят измерения необходимых показателей работы дизеля, которые записывают в протокол испытаний или регистрируют с помощью автоматизированной системы сбора информации. Далее, не меняя положения РУД, снижая нагрузку тормоза, увеличивают частоту вращения, устанавливают следующий скоростной режим, при котором после стабилизации теплового состояния производят измерение показателей работы двигателя на второй точке характеристики, и т. д. до частоты вращения, соответствующей nном. Обычно частоты вращения по ВСХ устанавливают кратными 200 мин-1. После достижения номинального режима снимают еще три точки регуляторной ветви, изменяя частоту вращения на 50 мин-1. На каждой выбранной частоте вращения измеряют и регистрируют: крутящий момент двигателя Мк, частоту вращения n, часовой расход топлива Gт, объемный Vв и часовой Gв расходы воздуха, температуру воды tw, масла tм, дымность ОГ D, выбросы оксидов азота NOx, давление рк и температуру tк наддувочного воздуха, давление рт и температуру tт ОГ перед турбиной, а также параметры атмосферного воздуха B0, Т0. 110 На основе результатов измерений вычисляют значения эффективной мощности Nе, удельного эффективного расхода топлива gе, плотности наддувочного воздуха ρв, массового расхода воздуха Gв, коэффициента наполнения v, коэффициента избытка воздуха , а также значения мощности и крутящего момента, приведенные к стандартным атмосферным условиям, Nе0 и Мк0. Определение индикаторных показателей В отличие от двигателя без наддува, в дизеле с наддувом механические потери при полной нагрузке и на холостом ходу (нулевой нагрузке) при постоянной частоте вращения существенно различаются, поскольку потери на газообмен при полной нагрузке больше. Это связано со значительным снижением на холостом ходу давления надувочного воздуха и противодавления газов перед турбиной, вызывающим существенное различие потерь на газообмен при полной и нулевой нагрузке. Поэтому определять механические потери и, соответственно, индикаторные показатели дизеля путем отключения подачи топлива некорректно. В лабораторной работе механические потери рассчитываются по эмпирической формуле, полученной по результатам экспериментальных исследований дизелей с наддувом. Итоговые графики строят по образцам, показанным на рис. 4.24 и 4.25. 4.5.2. Методика определения внешней скоростной характеристики дизеля на виртуальной лабораторной установке После запуска дизеля с помощью регулятора режимов устанавливают необходимое положение рычага управления дизелем (РУД), которое затем остается неизменным. Окно управления испытательным стендом (рис. 4.26) содержит: панель приборов, поле характеристики и регулятор параметра режима работы ДВС (регулятор режима). 111 Рис. 4.26. Панель управления для снятия внешней скоростной характеристики дизеля На панели приборов размещены индикаторы приборов, регистрирующих показания двигателя; кнопка ПУСК/СТОП для запуска и остановки двигателя и кнопка ЗАМЕР для автоматической записи показаний приборов в протокол. Возле индикатора расположено символьное обозначение параметра, который регистрирует данный прибор, и его размерность. Регулятор режима предназначен для изменения величины управляющего параметра ДВС. Это может быть частота вращения двигателя n, мин-1 либо положение рычага управления дизелем (РУД), %, регулирующего нагрузку. Его выбор производится путем щелчка по полю требуемого параметра на панели приборов. Активированный параметр имеет полосу прокрутки и бегунок. Перетаскивая бегунок или нажимая на кнопки полосы прокрутки с помощью мыши, можно изменять величину параметра. Панель приборов показывает параметры, которые строятся студентами на форматках и описаны выше. Дополнительно здесь 112 приводятся давление атмосферного воздуха В0, мм. рт. ст., температура атмосферного воздуха t0, оС, которые можно менять для имитации работы двигателя на транспортном средстве в различных климатически зонах и при подъеме в гору. В поле характеристики, непосредственно в ходе выполнения лабораторной работы, строятся графики крутящего момента Мк, расхода топлива Gт и удельного эффективного расходов топлива ge. Характеристика определяется от минимальной устойчивой до максимальной частоты вращения двигателя. С помощью РУД уменьшают нагрузку тормоза, изменяя при этом частоту вращения коленчатого вала дизеля от 1000 до 2200 мин-1 с шагом 200 мин-1. На каждой снимаемой точке характеристики (режиме работы) результаты измерений заносятся в протокол при нажатии кнопки <Замер>. После достижения номинальной частоты вращения испытываемого дизеля снимают регуляторную ветвь, которая определяется работой ограничителя максимальной частоты вращения. На регуляторной ветви необходимо произвести 3 измерения с шагом 50 мин-1 (от 2250 до 2350 мин-1). В используемой модели дизеля с наддувом механические потери рассчитываются по эмпирической формуле, полученной по результатам экспериментальных исследований. Тем не менее, чтобы облегчить работу студентов, для получения индикаторных показателей применяются те же действия, что и для ДсИЗ по ВСХ (см. п. 4.3.3). Следует понимать, что термин «Прокрутка двигателя» здесь условный и соответствует расчету момента механических потерь по формуле. Для определения индикаторных показателей по внешней скоростной характеристике дизеля после каждого нажатия кнопки <Замер> необходимо нажимать кнопку <Стоп>. При этом на экране выводится сообщение «Прокрутка двигателя». Для определения момента механических потерь необходимо еще раз нажать кнопку <Замер>, а затем кнопку <Пуск> для запуска дизеля и перейти к измерению параметров следующей точки характеристики. 113 Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение внешней скоростной характеристики (ВСХ) и частичной скоростной характеристики дизеля. 2. С какой целью на дизелях необходимо устанавливать регулятор частоты вращения? 3. Что понимается под устойчивостью режима работы двигателя? 4. Для чего осуществляют прямую коррекцию подачи топлива? 5. Опишите последовательность определения ВСХ с регуляторной ветвью. 6. Почему некорректно определять механические потери двигателя с наддувом методом прокрутки и как они определяются в данной работе? 7. Как и почему изменяются по ВСХ параметры дизеля Мк, Nе, , v, Gт, ge, ηi, ηм? 8. Как и почему изменяются по ВСХ параметры токсичности D и NOx? 9. Как и почему изменяются по ВСХ параметры системы наддува nр, tк, tт, рк, рт? 10. Почему топливная экономичность дизеля с наддувом заметно выше, чем у аналогичного дизеля без наддува? 4.6. Нагрузочная характеристика дизеля с газотурбинным наддувом Нагрузочной характеристикой дизеля (НХ) называется зависимость его основных параметров при постоянной частоте вращения от нагрузки. Нагрузка здесь может описываться эффективной мощностью Ne, крутящим моментом Mк или средним эффективным давлением pe. Основные параметры НХ включают в себя: часовой расход топлива Gт, коэффициент избытка воздуха α, коэффициент наполнения ηv, удельный эффективный расход топлива ge, параметры системы наддува и токсичные выбросы. 114 Нагрузочная характеристика дизеля определяется путем изменения нагрузки при постоянной частоте вращения коленчатого вала n, выбранной в пределах от минимальной рабочей nmin до номинальной nном, стабильном тепловом состоянии двигателя, контролируемом обычно по температуре охлаждающей жидкости. В зависимости от типа топливной системы при изменении нагрузки (цикловой подачи топлива) может изменяться угол опережения впрыскивания (УОВ) топлива. На каждом режиме нагрузочной характеристики постоянная частота вращения поддерживается с точностью ±2 мин-1 путем изменения положения органа управления дизелем и управления тормозом. Анализ изменения показателей дизеля с наддувом по нагрузочной характеристике Дизели имеют качественное регулирование, обеспечивающее регулирование мощности двигателя путем изменения количества подаваемого в цилиндры топлива и, как следствие, качества смеси. Изменение основных показателей дизеля с наддувом по НХ носит сложный характер, поскольку показатели дизеля зависят от параметров системы наддува, а те в свою очередь – от показателей дизеля. Характер взаимодействия показателей дизеля и системы наддува по НХ можно упрощенно представить следующим образом. При снижении нагрузки дизеля последовательно уменьшаются: цикловая подача топлива Gт.ц; температура газа на входе в турбину tт; удельная адиабатная работа газа перед турбиной lт так как она уменьшается при снижении рт и tт; мощность турбины Nт поскольку она уменьшается при снижении lт и Gт; частота вращения ротора nр; давление наддувочного воздуха рк; 115 температура наддувочного воздуха tк; расход воздуха через двигатель Gв и компрессор Gк; расход газа через турбину Gт; давление газа перед турбиной рт. Указанные выше параметры оказывают взаимное влияние друг на друга, например: уменьшение давления газов перед турбиной рт приводит к дополнительному уменьшению удельной адиабатной работы газа lт; снижение расхода газа через турбину Gт приводит к дополнительному уменьшению мощности турбины Nт. Нагрузочная характеристика дизеля с наддувом представлена на рис. 4.27 и 4.28. При уменьшении нагрузки показатели рабочего процесса и турбонаддува изменяются следующим образом. Коэффициент избытка воздуха α при уменьшении нагрузки у дизеля без наддува повышается, поскольку цикловая подача топлива заметно снижается, а количество воздуха, поступающего в цилиндр, меняется незначительно. У дизеля с наддувом α увеличивается не столь резко, поскольку снижается давление наддува. Коэффициент наполнения v: у дизеля без наддува v немного увеличивается из-за снижения подогрева свежего заряда от стенок, температура которых снижается при уменьшении цикловой подачи топлива; у дизеля с наддувом v уменьшается, поскольку давление наддува снижается в большей степени, чем температура надувочного воздуха. Это приводит к уменьшению плотности свежего заряда и увеличению относительных гидравлических потерь. Последнее явление более существенно для v. Индикаторный КПД i повышается в связи с увеличением коэффициента избытка воздуха, что приводит к улучшению процессов смесеобразования и тепловыделения. 116 Рис. 4.27. Нагрузочная характеристика дизеля. Основные показатели работы дизеля 117 Рис. 4.28. Нагрузочная характеристика дизеля. Параметры системы наддува, индикаторный и механический КПД 118 Механический КПД м снижается, поскольку мощность двигателя снижается в большей степени, чем мощность механических потерь, включающая в себя потери на трение и газообмен. Удельный эффективный расход топлива ge обратно пропорционален произведению индикаторного КПД на механический КПД (ge ~ 1/(i_·_м)). При уменьшении нагрузки он вначале немного снижается из-за увеличения коэффициента избытка воздуха, а затем начитает все больше увеличиваться из-за резкого снижения механического КПД. Дымность отработавших газов D снижается в связи с уменьшением зон, богатых топливом, в которых создаются условия для развития реакций, сопровождающихся выделением углерода. Выбросы оксидов азота NOx снижаются в связи с уменьшением зон с локальной высокой температурой. Частота вращения ротора nр снижается в связи с уменьшением мощности турбины. Удельная работа газа и мощность турбины зависят от температуры и давления газа перед турбиной, расхода газа и эффективного КПД турбины. Все эти параметры снижаются с уменьшением нагрузки. Температура газа перед турбиной tт снижается из-за уменьшения цикловой подачи топлива и соответственно, количества выделяющейся теплоты. Температура наддувочного воздуха tк снижается из-за уменьшения давления наддува. Давление наддува pк снижается из-за уменьшения частоты вращения ротора. Противодавление газов перед турбиной pт снижается изза уменьшения расхода газа через турбину Gт. Отношение давления наддува к противодавлению газов перед турбиной pк/pт снижается, что вызвано главным образом снижением КПД турбокомпрессора. Предельно допустимая нагрузка для каждого дизеля ограничивается тепловой напряженностью его деталей, 119 максимальным давлением цикла и минимальным значением коэффициента избытка воздуха. Также для предотвращения разрушения турбокомпрессора необходимо не допускать чрезмерно высокой частоты вращения (перекрутки) его ротора, при которой максимальная окружная скорость колеса компрессора не должна превышать 450…500 м/с. Для дизеля приводятся зависимости его показателей от среднего эффективного давления на двух форматках. На первую из них (рис. 4.27) наносятся показатели: коэффициент избытка воздуха , коэффициент наполнения v, концентрация оксидов азота NOx, дымность D, часовой Gт и удельный эффективный ge расходы топлива. На вторую форматку (рис. 4.28) наносятся показатели: индикаторный КПД i, механический КПД м, частота вращения ротора nр, температура отработавших газов tт, температура наддувочного воздуха tк, давление наддува рк, противодавление газов перед турбиной рт. С использованием серии нагрузочных характеристик могут быть получены скоростные и многопараметровые характеристики. 4.6.1. Методика определения нагрузочной характеристики дизеля на тормозном стенде Правила определения нагрузочной характеристики и представления результатов определяются ГОСТ 14846-2020 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Перед получением нагрузочной характеристики двигатель прогревают при малой нагрузке. Затем полностью перемещают РУД для получения максимальной цикловой подачи топлива и, одновременно увеличивая нагрузку, создаваемую тормозом, устанавливают заданную частоту вращения. После стабилизации теплового состояния двигателя производят измерение всех необходимых показателей на первой точке характеристики. Для перехода к следующей точке характеристики перемещают РУД для уменьшения цикловой подачи топлива, уменьшая мощность 120 двигателя на желаемую величину, и вновь регулируют нагрузку, создаваемую тормозом, для поддержания заданной частоты вращения. После стабилизации теплового состояния двигателя проводят измерения на второй точке характеристики и т. д. Процедура повторяется при постепенном уменьшении мощности вплоть до режима холостого хода. Для того чтобы точно выявить режим максимальной экономичности в диапазоне нагрузок от 70% до максимальной, точки располагают более часто. При каждом выбранном значении мощности измеряют: коэффициент избытка воздуха α, расход топлива Gт, дымность D и содержание оксидов азота NOx в отработавших газах, давление и температуру наддувочного воздуха рк и tк, давление и температуру газов перед турбиной рт и tт, а также температуры охлаждающей жидкости tw и масла tм. На основе результатов измерений по зависимостям, приведенным в разделе 3, вычисляют значения эффективной мощности Nе, удельного расхода топлива gе, плотности воздуха ρв, массового расхода воздуха Gв, коэффициента наполнения v, коэффициента избытка воздуха , индикаторного и механического КПД ηi и ηм. Механические потери рассчитываются по эмпирической формуле, полученной по результатам экспериментальных исследований дизелей. Итоговые графики строят по образцам, показанным на рис. 4.27 и 4.28. Для определения индикаторных показателей двигателя и механического КПД механические потери рассчитываются по эмпирической формуле. При обработке результатов испытаний по снятию нагрузочной характеристики показатели двигателя не приводят к нормальным атмосферным условиям. При построении нагрузочной характеристики должны быть выявлены следующие характерные точки и показатели: минимальный удельный эффективный расход топлива; 121 часовой расход Gт-max топлива при максимальной цикловой подаче дизельного топлива (РУД = 100%); часовой расход топлива на режиме холостого хода (или при наименьшей по характеристике мощности двигателя). 4.6.2. Методика определения нагрузочной характеристики дизеля на виртуальной лабораторной установке В начале эксперимента, изменяя настройки тормоза, дизель выводится на заданную частоту вращения коленчатого вала. Затем устанавливают максимальную подачу топлива. Положение рычага управления дизелем (РУД) указывается в процентах. Максимальной цикловой подаче топлива соответствует 100%. Производят измерение показателей двигателя. Это первая точка характеристики. Далее положение РУД изменяют таким образом, чтобы уменьшить крутящий момент (Мк) на 5…10 % от исходного значения. Если частота вращения уменьшается более чем на 10 мин-1, то необходимо, не меняя положения РУД, восстановить исходную частоту вращения двигателя настройкой тормоза. Только после этого данные измерений заносят в протокол. По мере дальнейшего перемещения РУД измерения производят в том же порядке до момента начала неустойчивой работы двигателя. В используемой модели дизеля с наддувом механические потери рассчитываются по эмпирической формуле, полученной по результатам экспериментальных исследований. Для определения индикаторных показателей по нагрузочной характеристике дизеля после каждого нажатия кнопки <Замер> необходимо нажимать кнопку <Стоп>. При этом на экране выводится сообщение «Прокрутка двигателя». Для определения момента механических потерь необходимо еще раз нажать кнопку <Замер>, а затем кнопку <Пуск> для запуска дизеля и перейти к измерению параметров следующей точки характеристики. Следует понимать, что термин «Прокрутка двигателя» здесь условный и соответствует расчету момента механических потерь по формуле. 122 После окончания замеров необходимо перейти в <Протокол>. для продолжения работы Вопросы для самоконтроля 1. Приведите определение нагрузочной характеристики (НХ) дизеля. 2. Поясните, что такое качественное регулирование нагрузки. 3. Как определяется НХ дизеля на стенде? 4. Чем ограничивается максимальная нагрузка, которую может выдержать дизель с наддувом? 5. Как и почему изменяются по НХ параметры дизеля , v, Gт, ge, ηi, ηм? 6. Как и почему изменяются по НХ параметры токсичности D и NOx? 7. Как и почему изменяются по НХ параметры системы наддува nр, tк, tт, рк, рт? 8. Почему с уменьшением нагрузки уменьшается отношение рк/рт? 4.7. Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыскивания топлива Для получения наибольшей мощности, наилучшей топливной экономичности и минимальной токсичности отработавших газов дизеля необходимо обеспечить эффективное и своевременное протекание процесса сгорания. Наиболее доступным способом управления своевременностью сгорания топлива является изменение момента опережения впрыскивания топлива. Угол поворота коленчатого вала от момента начала впрыскивания топлива до верхней мертвой точки (ВМТ) называют углом опережения впрыскивания (УОВ) и обозначают φо.вп. Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыскивания топлива устанавливает изменение мощности, топливной экономичности и других показателей двигателя от УОВ. при постоянной частоте вращения, максимальном положении РУД и постоянном расходе топлива. Постоянными также 123 поддерживают температуры охлаждающей жидкости и масла в двигателе. Регулировочные характеристики по УОВ используют: при определении предельных мощностных, экономических и токсических показателей; при выборе значений УОВ, которые должны поддерживаться системой управления при различных режимах работы двигателя; при оценке механической напряженности дизеля с наддувом, определяемой максимальным давлением сгорания. У дизелей с наддувом важнейшим фактором, ограничивающим степень его форсирования, является максимальное давление сгорания pz.макс, которое сильно зависит от УОВ. Если pz.макс превысит максимально допустимую величину, установленную разработчиками для данного дизеля, это приведет к его полному выходу из строя. Для современных автомобильных дизелей предельная величина pz.макс составляет 18…22 МПа. При уменьшении (запаздывании) УОВ последовательно увеличиваются показатели дизеля и системы наддува: температура газа перед турбиной tт; удельная адиабатная работа газа перед турбиной lт, так как она зависит от рт и tт; мощность турбины Nт, так как она зависит от lт и Gт; частота вращения ротора турбокомпрессора nр; давление наддувочного воздуха рк; температура наддувочного воздуха tк. расход воздуха через двигатель Gв и компрессор Gк; расход газа через турбину Gт; давление газа перед турбиной рт. Эти показатели оказывают взаимное влияние друг на друга. Так, например: повышение температуры наддувочного воздуха tк приводит к дополнительному увеличению температуры газа перед турбиной tт; повышение расхода Gт и давления газа рт перед турбиной приводит к дополнительному росту удельной адиабатной работы lт, мощности турбины Nт и частоты вращения ротора nр. 124 На рисунке 4.28 представлена индикаторная диаграмма, а также характеристики впрыскивания σ = f(φ) и тепловыделения χх = f(φ) дизеля). Весь процесс сгорания в двигателе принято условно разделять на три фазы. Первая фаза сгорания (период задержки воспламенения) обозначается θI. Начинается от момента начала впрыскивания топлива (точка e на диаграмме р = f(φ) и заканчивается в момент отрыва линии сгорания от линии сжатии заряда в цилиндре без впрыскивания топлива (точка f на диаграмме р = f(φ)). Во время задержки воспламенения происходит распад струи первых порций впрыскиваемого топлива на капли, их продвижение по объему камеры сгорания, прогрев, частичное испарение и смешивание паров топлива с воздухом. Вторая фаза сгорания (фаза быстрого сгорания) обозначается θII. Начинается с момента окончания первой фазы и завершается достижением максимального давления pz. Ее можно условно разделить на две части. Первая часть фазы θII начинается от начала сгорания (точка f, рис. 4.29) и заканчивается в точке с. В это время сгорает доля топливовоздушной смеси, подготовленной к воспламенению за период задержки воспламенения. Происходит быстрое сгорание и нарастание давления. Длительность первой части зависит от количества топливовоздушной смеси, приготовленной за период задержки воспламенения. Вторая часть фазы θII длится от точки с до достижения максимального давления pz и характеризуется сгоранием порций топлива подаваемых в цилиндр непосредственно в каждый момент времени после начала сгорания. Поэтому ее длительность зависит от количества подаваемого топлива и его смешения с воздухом. Третья фаза сгорания (фаза быстрого диффузионного сгорания) обозначается θIII. Начинается с достижения давления pz и заканчивается при максимальном значении температуры рабочего цикла Tmax. В третьей фазе происходит диффузионное сгорание при интенсивном смешении топлива с воздухом. 125 Рис. 4.29. Индикаторная диаграмма р = f(φ), изменение температуры в цилиндре T = f(φ), характеристики впрыскивания σ = f(φ) и тепловыделения χх = f(φ) дизеля: − − − – изменение р при сжатии заряда без впрыскивания топлива; φо.вп – угол опережения впрыскивания Четвертая фаза сгорания (фаза догорания) обозначается θIV. Начинается от достижения максимальной температуры цикла Tmax и длится до окончания тепловыделения. В этой фазе происходит диффузионное сгорание, характеризующееся малой скоростью смешения, так как основные доли топлива и кислорода уже израсходованы. При благоприятных условиях происходит достаточно полное выгорание сажи, образовавшейся в течение предыдущих фаз сгорания. Для лучшего использования теплоты важно расположить вторую фазу сгорания как можно ближе к ВМТ. Это можно обеспечить, выбрав правильно в зависимости от режима работы дизеля оптимальный угол опережения впрыскивания θо.вп.опт. Обычно при этом максимум давления (точка z) располагается примерно через 10…15° после ВМТ на номинальном режиме. Изменение показателей дизеля по регулировочной характеристике по УОВ представлено на рис. 4.30, а показателей системы наддува и токсичности – на рис. 4.31. Изменение мощности и топливной экономичности дизеля в зависимости от угла опережения впрыскивания аналогично 126 изменению этих показателей ДсИЗ от угла опережения зажигания (рис. 4.6). При раннем угле опережения впрыскивания увеличивается отрицательная работа сжатия. Кроме того, из-за высоких давления и температуры рабочего цикла возрастают потери теплоты в стенки в конце сжатия и при сгорании, а также потери от утечек рабочего тела через кольца поршня. Это вызывает снижение индикаторного КПД ηi. Из-за повышения давления рабочего тела в конце сжатия и при сгорании также увеличиваются потери на трение, что приводит к снижению механического КПД ηм. В результате снижения ηi и ηм уменьшается эффективная мощность Ne. При позднем угле опережения впрыскивания повышается температура рабочего тела в процессе расширения. Это увеличивает потери теплоты при расширении в стенки и с отработавшими газами, что приводит к снижению индикаторного КПД. С ростом частоты вращения время для реализации рабочего цикла уменьшается. При этом время на фазы сгорания также уменьшается. Длительность основной второй фазы сгорания в градусах поворота коленчатого вала (ПКВ) остается почти постоянной т. к. изза увеличения турбулентности заряда скорость сгорания растет примерно пропорционально частоте вращения. Длительность первой фазы сгорания по времени мало зависит от частоты вращения, поэтому с увеличением n ее длительность в градусах ПКВ пропорционально увеличивается и индикаторная диаграмма смещается вправо. Чтобы вернуть индикаторную диаграмму в положение, обеспечивающее наилучшую мощность и экономичность (10…15 оПКВ после ВМТ), необходимо увеличивать УОВ. Поскольку при снятии характеристики часовой расход топлива Gт постоянен (из-за постоянства n и положения РУД), то зависимость удельного эффективного расхода топлива ge от УОВ обратно пропорциональна изменению мощности (ge = Gт/Ne). Следовательно, УОВ, обеспечивающий максимальную мощность двигателя (φо.вп.опт) одновременно будет обеспечивать и наилучшую его топливную экономичность. 127 Выбросы оксидов азота NOx снижаются с уменьшением УОВ из-за падения максимальной температуры цикла. Дымность отработавших газов D растет с уменьшением УОВ из-за более позднего окончания процесса сгорания, которое происходит ближе к моменту открытия выпускного клапана. Температура отработавших газов tт увеличивается с уменьшением УОВ из-за повышения температуры рабочего тела в процессе расширения в связи с поздним окончанием сгорания. Частота вращения ротора nр увеличивается с уменьшением УОВ из-за повышения мощности турбины Nт поскольку последняя растет при увеличении температуры tт, давления рт и расхода газа через турбину Gт. Давление наддувочного воздуха рк и противодавление газа перед турбиной рт увеличиваются с уменьшением УОВ из-за повышения nр Для дизелей с наддувом выгодно при работе на полной нагрузке использовать запаздывание УОВ на 6…10 оПКВ по отношению к оптимальному по топливной экономичности, поскольку при небольшом повышении удельного эффективного расхода топлива ge это позволяет значительно снизить максимальное давление сгорания pz. Как видно из рис. 4.30, при уменьшении УОВ от 24 до 16 о ПКВ ge увеличивается от 222 до 226 г/кВт.ч (на 2%), а pz уменьшается от 18 до 14 МПа (на 22%). Величина оптимального УОВ должно согласовываться с: - режимом работы двигателя и его тепловым состоянием; - внешними атмосферными условиями (р0 и Т0); - выбранными регулировками систем подачи топлива, наддува, рециркуляции ОГ, и др. 128 Рис. 4.30. Регулировочная характеристика по углу опережения впрыскивания дизеля. Основные показатели дизеля 129 Рис. 4.31. Регулировочная характеристика по углу опережения впрыскивания дизеля. Основные показатели системы наддува и токсичности 130 С ростом частоты вращения время для реализации рабочего цикла уменьшается. При этом время на фазы сгорания также уменьшается. Длительность основной второй фазы сгорания в градусах поворота коленчатого вала (оПКВ) остается почти постоянной т. к. изза увеличения турбулентности заряда скорость сгорания растет примерно пропорционально частоте вращения. Длительность первой фазы сгорания по времени мало зависит от частоты вращения, поэтому с увеличением n ее длительность в градусах ПКВ пропорционально увеличивается и индикаторная диаграмма смещается вправо. Чтобы вернуть индикаторную диаграмму в положение, обеспечивающее наилучшую мощность и экономичность (10…15 оПКВ после ВМТ) необходимо увеличивать УОВ. Влияние нагрузки на оптимальный УОВ зависит от конструкции топливной системы. В целом, изменение нагрузки значительно меньше влияет на оптимальный УОВ дизеля, чем изменение частоты вращения. 4.7.1. Методика определения регулировочной характеристики по углу опережения впрыскивания на виртуальной лабораторной установке Характеристика определяется при постоянной частоте вращения коленчатого вала (n = const), постоянном положении рычага управления дизелем (РУД) и постоянном расходе топлива (Gт = const). Дизель выводят на требуемый режим работы, используя регулятор режима. Для каждой точки измерения устанавливают значения n, Gт и УОВ. Снятие точек характеристики начинают с очень малых углов и по диаграмме на экране дисплея примерно определяют величину УОВ, при котором крутящий момент достигает максимальной величины. Затем уменьшают УОВ, чтобы крутящий момент снизится на 5…10%, и при необходимости производят коррекцию нагрузки 131 тормоза с целью поддержания заданной частоты вращения. Это будет первым режимом измерения. Затем переходят к следующему режиму (точке характеристики), увеличив УОВ на 3…5ПКВ. Измерения производят только после корректирования нагрузки тормоза. По мере увеличения УОВ крутящий момент (мощность двигателя) будет сначала возрастать, а затем начнет уменьшаться. Снятие характеристики прекращают, когда значение мощности вновь уменьшится на 3…5 %. Желательно, чтобы после максимума мощности при увеличении УОВ было снято не менее двух точек. Затем записывают значения основных мощностных, экономических и токсических показателей дизеля и показателей системы наддува, которые приводятся на рис. 4.30, 4.31, и строят графики регулировочной характеристики, представленные на данных рисунках. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое угол опережения впрыскивания топлива (УОВ)? 2. Что называется регулировочной характеристикой по УОВ и что такое оптимальный угол опережения впрыскивания? 3. Почему важно, чтобы основная доля теплоты выделялась в период, когда поршень находится близко к ВМТ? 4. Почему мощность и экономичность двигателя снижаются при отклонении УОВ от оптимального значения? 5. Как влияет УОВ на токсичность отработавших газов? 6. Как изменяются основные показатели системы наддува при изменении УОВ? 7. Почему при работе дизеля на полной нагрузке выгодно использовать запаздывание УОВ на 6…10 оПКВ относительно оптимального по топливной экономичности значения? 8. Какова методика снятия регулировочной характеристики по УОВ на виртуальной лабораторной установке? 132 4.8. Определение внешнего теплового баланса двигателя Цель лабораторной работы. Выполнить анализ изменения составляющих внешнего баланса двигателя в соответствии с решаемой задачей, оценить степень совершенства двигателя с точки зрения величины различного вида тепловых потерь и предложить пути их снижения с целью достижения высоких энергетических и экономических показателей двигателя. 4.8.1. Внешний тепловой баланс двигателя Составляющие внешнего теплового баланса двигателя При реализации рабочего цикла ДВС химическая энергия введенного в цилиндр топлива преобразуется в теплоту (Qт), увеличивая внутреннюю энергию рабочего тела, а затем в индикаторную работу (Li), которая с помощью механических элементов двигателя преобразуется в эффективную (Lе) работу, отдаваемую потребителю. В результате этих преобразований часть исходной энергии и индикаторной работы теряется в виде тепловых (Qп) и механических потерь (Lм.п) соответственно, рис. 4.32, а. Составляющие внутреннего энергетического баланса на рис. 4.32, а: Qт – теплота, подведенная с топливом; Li – индикаторная работа; Le – эффективная работа; Qп – тепловые потери; Lм.п – механические потери; Qо.ж – потери в систему охлаждения; Qо.г – потери с отработавшими газами; Qн.с – потери теплоты из-за неполноты сгорания; Lтр – потери на трение; Lв.м – потери на привод вспомогательных механизмов; Lг.о – работа газообмена. Соотношение и значения отдельных составляющих энергетического баланса ДВС зависит от: типа ДВС (с искровым зажиганием или дизель), особенностей его конструкции, регулировочных параметров и режима работы. На рисунке 4.32, б представлен пример изменения составляющих внешнего теплового баланса (ВТБ) двигателя с искровым зажиганием (ДсИЗ), полученного экспериментально по внешней скоростной характеристике (ВСХ). Составляющие ВТБ приведены относительно (Qт), рис. 4.32, б: qe – теплота, 133 эквивалентная Le; qо.ж, qо.г и qн.с – составляющие тепловых потерь; qост – неучтённые потери теплоты. Здесь qe соответствует эффективному КПД (ηе). Анализ ВТБ двигателя позволяет оценить соотношение отдельных его компонентов, наметить пути совершенствования его энергетических и экономических показателей. а) б) Рис. 4.32. Энергетический баланс ДВС: а – состав и структура энергетического баланса; б – внешний тепловой баланс двигателя с искровым зажиганием по ВСХ Факторы, влияющие на составляющие внешнего теплового баланса двигателя и методы их снижения Потери теплоты в охлаждающую жидкость (ОЖ) определяются: продолжительностью теплообмена горячего рабочего тела с относительно холодными стенками цилиндра и выпускных каналов; 134 трением, вызывающим нагрев деталей и моторного масла, теплота от которых также отводится в охлаждающую жидкость. Для снижения Qо.ж на современных ДВС применяются электронно-регулируемые термостаты, повышающие температуру охлаждающей жидкости на режимах малой нагрузки, что позволяет уменьшить Qо.ж и увеличить экономичность двигателя в условиях городской эксплуатации. Потери теплоты с отработавшими газами определяются: временем охлаждения ОГ за счёт контакта со стенками цилиндра, камеры сгорания и выпускных каналов. Это приводит к росту температуры ОГ (tr) и Qо.г при увеличении частоты вращения; коэффициентом избытка воздуха α. При обогащении топливовоздушной смеси tr и Qо.г снижаются. Поэтому, при эксплуатации двигателя на высоком скоростном и нагрузочном режиме, обогащение топливовоздушной смеси может быть использовано для защиты каталитического нейтрализатора от перегрева (допустимая температура не более 900…950 oC). На потери теплоты в охлаждающую жидкость и с отработавшими газами значительно влияет угол опережения зажигания (УОЗ). При раннем зажигании в первую очередь возрастают Qо.ж, при позднем – Qо.г. Поэтому необходимо точное регулирование УОЗ в зависимости от режима работы ДВС. Потери теплоты из-за неполноты сгорания в ДсИЗ зависят от: коэффициента избытка воздуха α – при обогащении топливовоздушной смеси Qн.с возрастает; качества процессов смесеобразования и сгорания топливновоздушной смеси. Отсюда следуют и методы снижения Qн.с: с помощью λрегулирования, обеспечивающего стехиометрический состав смеси на большинстве режимов работы и оптимизация формы камеры сгорания и впускных каналов. Уровень механических потерь в ДВС определяется: конструкцией ДВС. Конструктивно снижение Lм.п обеспечивается совершенствованием взаимодействия трущихся деталей и улучшением качества их поверхностей. Например, 135 оптимизацией юбки поршня для снижения динамических взаимодействий при перекладке поршня; качеством моторного масла. Здесь в первую очередь необходимо обеспечение оптимальной вязкости масла; уровнем гидравлических сопротивлений на впуске и выпуске. Так, например, при загрязнении воздушного фильтра происходит увеличение потерь на газообмен Lг.о и, как следствие Lм.п; техническим состоянием двигателя. Механические потери возрастают по мере износа узлов, агрегатов и систем ДВС, а также из-за нарушения регулировок фаз газораспределения и системы зажигания. Здесь необходима своевременная диагностика ДВС. 4.8.2. Методика проведения работы Последовательность выполнения лабораторной работы 1. В соответствии с решаемой задачей выполняется лабораторный эксперимент по снятию исследуемой характеристики на моторном стенде. 2. Проводится обработка результатов эксперимента и рассчитываются составляющие ВТБ для определения характера их изменения по исследуемой характеристике. 3. Формируются графики необходимых зависимостей. 4. Выполняется анализ полученных результатов и делаются необходимые выводы с представлением полученных абсолютных и относительных показателей, оценивается состояние двигателя, а также перспективы его совершенствования. 5. Оформляется отчет о проведенной лабораторной работе. 6. Готовятся вопросы для самоконтроля и работа защищается у преподавателя. Выполнение экспериментальных исследований на моторном стенде Перед проведением работы двигатель прогревают на малых нагрузках. Затем устанавливается первая режимная точка исследуемой характеристики. 136 Нагрузка на двигателе регулируется путем изменения положения дроссельной заслонки, с помощью системы управления ДВС, подключенной к компьютеру оператора стенда. Необходимая частота вращения задаётся через пульт управления стендом и поддерживается автоматически. На данном режиме работы измеряют и регистрируют: крутящий момент двигателя Мк, частоту вращения n, массовый часовой расход воздуха Gв, массовый часовой расход топлива Gт, угол опережения зажигания φо.з, разрежение во впускном коллекторе ∆pк, температуру отработавших газов tr, а также параметры атмосферного воздуха B0, T0; для оценки Qо.ж измеряется объемный расход охлаждающей жидкости Vо.ж и разность её температур до и после прохождения теплообменного аппарата. Далее, при необходимости, устанавливается следующая режимная точка, на которой после стабилизации теплового состояния производят измерение показателей работы двигателя на второй точке характеристики и т. д. до завершения плана испытаний. В зависимости от решаемой в работе задачи может потребоваться изменение угла опережения зажигания (УОЗ), цикловой подачи топлива Gт.ц и заданной температуры охлаждающей жидкости, поддерживаемой с помощью автоматизированной системы термостабилизации двигателя. На основе результатов измерений вычисляют значения эффективной мощности Nе, удельного расхода топлива gе, коэффициента избытка воздуха α и необходимые составляющие внешнего теплового баланса. Тепловой баланс определяется для четырехтактного четырехцилиндрового ДсИЗ ВАЗ-21124 (4Ч8,2/7,6). Пределы изменения ряда его режимных параметров приведены в таблице 4.1. Штатное оборудование стенда: динамометр для измерения крутящего момента двигателя Мк; массовый расходомер топлива (определение Gт); термопара для измерения температуры ОГ tr. Специальное оборудование: 137 Таблица 4.1 Пределы изменения параметров ДсИЗ Параметр Частота вращения n, мин-1 Пределы изменения 1000 … 6000 Коэффициент избытка воздуха 0,8 … 1,2 Угол опережения зажигания о.з, °ПКВ -5…50 инженерный контроллер системы управления ДВС, позволяющий регистрировать комплекс измерений (частота вращения n, температура и давление воздуха во впускном коллекторе и т. д.), управлять необходимыми регулировочными параметрами и нагрузкой двигателя; теплообменный аппарат (ТА), оснащенный: объемным расходомером горячего теплоносителя (охлаждающая жидкость ДВС); датчиками температуры ОЖ на входе и выходе из двигателя; системой автоматизированного поддержания заданной температуры ОЖ с помощью регулирования расхода холодного теплоносителя (водопроводная вода). На рисунках 4.33 и 4.34 приведены основные показатели рабочего цикла двигателя и его тепловой баланс, определенные по внешней скоростной характеристике (ВСХ). В процессе проведения работы: определяют основные показатели работы двигателя: массовый часовой расход топлива и воздуха Gт и Gв соответственно, коэффициент избытка воздуха α, крутящий момент Мк и эффективную мощность Ne, удельный эффективный расход топлива ge, температуру отработавших газов tr; вычисляют значения составляющих внешнего теплового баланса: qe, qо.ж, qо.г, qн.с и qост. 4.8.3. Обработка результатов экспериментов Обработка результатов испытаний включает в себя расчет традиционных показателей (Ne, ge) и составляющих внешнего теплового баланса. Составляющие внешнего теплового баланса 138 Теплота, подведенная с топливом: Qт = Hu·Gт·1000, кДж/ч, (4.9) где Gт – массовый часовой расход топлива, кг/ч, Hu – низшая теплота сгорания бензина, МДж/кг; Теплота, передаваемая охлаждающей жидкости (ОЖ): Qо.ж = cv·(tвых − tвх)·Gж·10−3, кДж/ч, (4.10) где Gж – массовый расход охлаждающей жидкости, кг/ч; cv – удельная теплоемкость при постоянном объеме ОЖ, Дж/ (кг·К); tвых – температура ОЖ на выходе из двигателя, °C, tвх – температура ОЖ на входе, °C. Теплота, уносимая с отработавшими газами: ′′ ′ 8,3 ∙ М 8,3 ∙ , кДж/ч, (4.11) о.г т М где М1 и М2 – количество молей, ′ р и " р – мольные теплоёмкости для свежего заряда и продуктов сгорания соответственно. В лабораторной работе Qо.г с достаточной степенью точности определяют по эмпирической зависимости: , 4,2 ∙ 0,44 α 3,5 ∙ 3,58 ∙ α ∙ , кДж/ч, (4.12) о.г т где tr – температура отработавших газов, °C, t0 – температура окружающего воздуха, °C. Количество теплоты, не выделившейся вследствие неполноты сгорания: (4.13) 114 ∙ 1 ∙ ∙ т ∙ 10 , кДж/ч, н.с где L0=0,5 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг. Теплота, эквивалентная эффективной работе: (4.14) e 3,6 ∙ e, кДж/ч, где Ne – эффективная мощность, кВт. Остаточная составляющая теплового баланса: (4.15) ост т e о. г о. ж н. с 139 Рис. 4.33. Внешняя характеристика двигателя с искровым зажиганием 140 Рис. 4.34. Тепловой баланс ДсИЗ по ВСХ Величина Qост определяется неполнотой сгорания при α > 1, отводом теплоты через наружные поверхности двигателя, а также погрешностями проведения эксперимента. Относительные составляющие ВТБ Относительная теплота, эквивалентная эффективной работе, соответствует эффективному КПД (ηе): т . Относительная теплота, передаваемая охлаждающей жидкости: (4.16) 141 о.ж о.ж т . (4.17) Относительная теплота, уносимая с отработавшими газами: о.г о.г Относительная неполноты сгорания: теплота, н.с т . не (4.18) выделившаяся н.с т вследствие , (4.19) Относительная остаточная составляющая теплового баланса: (4.20) 100 ост о.г о.ж н.с 4.8.4. Анализ эксперимента Для анализа эксперимента строятся графические зависимости, отражающие изменение основных показателей рабочего цикла двигателя и составляющих ВТБ по исследуемой характеристике. Затем оценивают состояние ДВС, а также перспективы его совершенствования. Пример графиков, которые выполнены по результатам регистрации внешней скоростной характеристики (ВСХ), приведен на рис. 4.33 и 4.34. Банк типовых заданий, решаемых при исследовании внешнего теплового баланса двигателя Исследования ВТБ на характеристиках двигателя: внешняя или частичная скоростная характеристика; нагрузочная характеристика; регулировочная характеристика по УОЗ; регулировочная характеристика по составу смеси. 142 Исследования ВТБ на отдельных режимах работы Анализ снижения температуры охлаждающей жидкости, измеренной по датчику на выходе из системы охлаждения ДВС, с 95 до 70 оС. На заданной частоте вращения и нагрузке определить, как изменятся потери теплоты в систему охлаждения (Qо.ж), а также крутящий момент (Мк) и удельный эффективный расход топлива (ge). Анализ влияния угла опережения зажигания при его изменении от максимально возможного (ограниченного детонационным сгоранием) до минимального (ограниченного tr < 900 оС). На заданной частоте вращения и нагрузке определить, как изменится тепловой баланс двигателя, а также крутящий момент (Мк) и удельный эффективный расход топлива (ge). На заданной частоте вращения (n = 3000…4000 мин-1) и при полностью открытой дроссельной заслонке необходимо снизить tr путем обогащения температуру отработавших газов топливовоздушной смеси. При этом необходимо оценить увеличение потерь теплоты из-за неполноты сгорания (Qн.с). Вопросы для самоконтроля 1. С какой целью определяется тепловой баланс ДВС? 2. Какой порядок проведения испытаний двигателя на стенде для определения составляющих теплового баланса? 3. Объясните характер изменения по внешней скоростной характеристике: qе, qо.ж, qн.с, qо.г, qост. 4. Объясните характер изменения qе, qо.ж, qо.г в зависимости от угла опережения зажигания. 5. Объясните характер изменения qо.ж в зависимости от температуры охлаждающей жидкости (tо.ж). 6. Как взаимосвязаны qe и эффективный КПД (ηе). 7. Опишите основные направления и методы уменьшения тепловых потерь. 8. Опишите основные направления и методы уменьшения механических потерь. Как обеспечивается снижение механических потерь в процессе эксплуатации ДВС? 143 8. Каким образом можно снизить температуру отработавших газов tr с целью защиты нейтрализатора от перегрева при эксплуатации ДВС на высоком скоростном и нагрузочном режиме? Какая максимальная температура ОГ допустима для нейтрализатора? 9. Для каких режимов эксплуатации ДВС возможно улучшение экономичности благодаря электронно-регулируемому термостату? СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ ВМТ – верхняя мертвая точка ВСХ – внешняя скоростная характеристика ВТБ – внешний тепловой баланс ДВС – двигатель внутреннего сгорания ДЗ – дроссельная заслонка ДсИЗ – двигатель с искровым зажиганием КС – камера сгорания НМТ – нижняя мертвая точка НХ – нагрузочная характеристика ОГ – отработавшие газы ОЖ – охлаждающая жидкость ПКВ – поворот коленчатого вала РУД – рычаг управления дизелем РХ СС – регулировочная характеристика по составу смеси РХ УОЗ – регулировочная характеристика по углу опережения зажигания СН - углеводороды ТВС – топливовоздушная смесь УОВ – угол опережения впрыскивания топлива УОЗ – угол опережения зажигания ХОР – характеристика оптимального регулирования ЧСХ – частичная скоростная характеристика 144 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Автомобильные двигатели: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Автомобили и автомобильное хозяйство» и «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (Автомобильный транспорт)» направления подготовки «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования» / М.Г. Шатров, К.А. Морозов, И.В. Алексеев [и др.]. – Москва: Издательский центр «Академия», 2010. – 464 с.– ISBN 978-5-7695-5408-6. 2. Двигатели внутреннего сгорания: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» направления подготовки дипломированных специалистов «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования»: в 3 книгах / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян [и др.]. Том Книга 1. – Издание 4-е, исправленное. – Москва: Издательство «Высшая Школа», 2010. – 479 с. – ISBN 978-5-06-006200-7. 3. Компьютерный практикум. Моделирование процессов в ДВС: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Т.Ю. Кричевская и др.; Под ред. В.Н.Луканина и М.Г.Шатрова. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва: Издательство «Высшая Школа», 2007. – 414 с. 145 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТУРА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ................................................... 7 1.1. Общее устройство стенда для испытания двигателей ............ 7 1.2. Тормозная установка .................................................................. 9 1.3. Измерительные устройства и аппаратура............................... 11 1.4. Вспомогательные устройства стенда ...................................... 15 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ....................................................... 17 2.1. Порядок проведения лабораторных работ ............................. 17 2.2. Техника безопасности при проведении лабораторных работ на тормозном стенде ............................................................. 19 2.3. Общие положения методики проведения стендовых испытаний двигателей ...................................................................... 20 2.4. Проведение лабораторных работ в компьютерном классе .................................................................... 21 2.5. Обработка результатов испытаний. Отчет по лабораторной работе ....................................................... 30 3. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ И РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВИГАТЕЛЕЙ .................................................................................... 32 3.1. Показатели, характеризующие состав топливовоздушной смеси и процессы газообмена ......................................................... 33 3.2. Индикаторные показатели ........................................................ 36 3.3. Экономические показатели ....................................................... 36 3.4. Механические (внутренние) потери и эффективные показатели двигателя ....................................................................... 38 3.5. Показатели токсичности отработавших газов ......................... 41 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ..................................................... 44 4.1. Регулировочная характеристика двигателя с искровым зажиганием по составу смеси .......................................................... 44 4.1.1. Методика определения регулировочной характеристики по составу смеси на тормозном стенде .......................................... 52 146 4.1.2. Методика определения регулировочной характеристики двигателя по составу смеси на виртуальной лабораторной установке ........................................................................................... 53 Вопросы для самоконтроля ............................................................ 53 4.2. Регулировочная характеристика двигателя по углу опережения зажигания ........................................................ 54 4.2.1. Методика определения регулировочных характеристик по углу опережения зажигания на тормозном стенде ........................................................................ 61 4.2.2. Методика определения регулировочной характеристики по углу опережения зажигания на виртуальной лабораторной установке ....................................... 62 Вопросы для самоконтроля ............................................................ 64 4.3. Скоростные характеристики двигателя с искровым зажиганием .................................................................... 64 4.3.1. Методика определения внешней скоростной характеристики при проведении лабораторной работы на тормозном стенде ....................................................................... 78 4.3.2. Приведение показателей двигателя к стандартным атмосферным условиям ................................................................... 79 4.3.3. Методика определения скоростных характеристик на виртуальной лабораторной установке ....................................... 80 Вопросы для самоконтроля ............................................................ 82 4.4. Нагрузочная характеристика двигателя с искровым зажиганием ........................................................................................ 82 4.4.1. Методика определения нагрузочной характеристики на тормозном стенде ........................................................................ 89 4.4.2. Методика определения нагрузочной характеристики на виртуальной лабораторной установке ....................................... 93 Вопросы для самоконтроля ............................................................ 94 4.5. Скоростные характеристики дизеля ........................................ 94 4.5.1. Методика определения внешней скоростной характеристики дизеля с регуляторной ветвью на тормозном стенде ...................................................................... 109 147 4.5.2. Методика определения внешней скоростной характеристики дизеля на виртуальной лабораторной установке ................................................................ 110 Вопросы для самоконтроля .......................................................... 113 4.6. Нагрузочная характеристика дизеля с газотурбинным наддувом ........................................................... 113 4.6.1. Методика определения нагрузочной характеристики дизеля на тормозном стенде .............................. 119 4.6.2. Методика определения нагрузочной характеристики дизеля на виртуальной лабораторной установке ........................ 121 Вопросы для самоконтроля .......................................................... 122 4.7. Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыскивания топлива .............................................. 122 4.7.1. Методика определения регулировочной характеристики по углу опережения впрыскивания на виртуальной лабораторной установке ..................................... 130 Вопросы для самоконтроля .......................................................... 131 4.8. Определение внешнего теплового баланса двигателя ........ 132 4.8.1. Внешний тепловой баланс двигателя .............................. 132 4.8.2. Методика проведения работы .......................................... 135 4.8.3. Обработка результатов экспериментов ........................ 137 4.8.4. Анализ эксперимента .......................................................... 141 Вопросы для самоконтроля .............................................................. 142 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ .................................... 143 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................... 144 Учебное издание СИНЯВСКИЙ Владимир Викторович ПРИШВИН Сергей Андреевич ШАТРОВ Михаил Георгиевич МЕЛЬНИКОВ Владимир Игоревич ДУШКИН Павел Витальевич АЛЕКСАНДРОВ Антон Вячеславович САВАСТЕНКО Эдуард Андреевич ТЕОРИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВС Учебно-методическое пособие Редактор С.В. Голованова Редакционно-издательский отдел МАДИ. E-mail: rio.madi@mail.ru Подписано в печать 23.05.2023 г. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 9,25. Тираж 100 экз. Заказ . МАДИ, 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64.
