В В Е Д Е Н И Е 1 страница

В первой части курса «Теория рабочих процессов ДВС» студенты изучали рабочие циклы ДВС, т.е. круговые процессы преобразования теплоты в механическую работу (термодинамические циклы) и действительные циклы, включающие процессы газообмена, сжатия рабочего тела, смесеобразования, сгорания и расширения, с целью получения механической работы.

Качество термодинамических циклов выражается получаемой работой цикла (L_t), термическим коэффициентом полезного действия (КПД) цикла (η_t) и удельной работой цикла (Р_t) или, иначе говоря, средним давлением термодинамического цикла. Сравнение разных циклов следует проводить конечно при условии одинакового количества подведённого тепла (Q₁), а качество будет зависеть от количества отведённого тепла (Q₂). При этом, , т.е. качество процесса определяется отношением количества тепла, использованного для совершения механической работы (L_t = f(P,V)), ко всему подведённому теплу. Удельная работа говорит о компактности двигателя, реализующего данный термодинамический цикл: где V_h – рабочий объём двигателя, реализующего данный термодинамический цикл.

В действительных циклах качество процессов получения теплоты и преобразования её в механическую работу определяет индикаторные и эффективные показатели циклов и прежде всего индикаторные и эффективные мощностные и экономические показатели. Показатели циклов зависят от их параметров, к которым относятся конструктивные, регулировочные и режимные параметры. К конструктивным параметрам можно отнести степень сжатия, рабочий объём двигателя, рабочее тело с его физико – химическими свойствами и т.д. К регулировочным параметрам относятся состав смеси, фазы газораспределения, фазы топливоподачи, зажигания и т.д. А к режимным можно отнести прежде всего частоту вращения вала двигателя (n) и нагрузку на его валу (т.е. либо эффективную мощность – N_e, либо эффективный крутящий момент – М_е, либо среднее эффективное давление - р_е). (Следует отметить, что постоянное совершенствование ДВС приводит к тому, что те или иные например, конструктивные параметры переходят в категорию регулировочных. Например, с разработкой двигателей с регулированием рабочих процессов путём изменения физико – химических свойств топлива, состав топлива или рабочего тела становится регулировочным параметром. С появлением двигателей с переменной степенью сжатия этот ранее конструктивный параметр превращается в регулировочный и т.д.).

Двигатель предназначен для того, чтобы обеспечивать потребитель энергией, т.е. он должен развивать различную мощность и различную частоту вращения в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. При этом производство этой энергии должно осуществляться с максимальной экономичностью, с минимальной токсичностью выбросов, надёжно и долговечно. (В настоящее время уже следует говорить о качествах двигателя в полном жизненном цикле (ПЖЦ), который включает в себя как производство двигателя, так и его эксплуатацию и утилизацию).

С течением длительного времени эксплуатации возможны различные нарушения регулировок двигателя, снижающие качество вырабатываемой энергии. Для различных условий эксплуатации часто целесообразно один и тот же двигатель регулировать на получение разных показателей. В настоящей второй части курса студенты знакомятся с характеристиками работы двигателей, т.е. с зависимостями показателей работы двигателей от режимных, регулировочных и конструктивных параметров. Эти зависимости (характеристики) могут быть представлены в виде таблиц, в виде аналитических зависимостей, но наиболее часто и наиболее наглядно они представляются в графическом виде. При этом параметры и показатели могут сохранять постоянство в течение некоторого времени работы двигателя. Тогда говорят об установившихся режимах работы (УР). Под режимом работы двигателя понимается совокупность параметров рабочего процесса, факторов внешней среды и внешней нагрузки, обеспечивающих двигателю определённые мощностные, экономические и экологические показатели.

Условиями существования УР работы двигателя являются следующие: М_е=М_с=const или, иначе, М_е=М_с и dM_e/dt = dM_c/dt = 0. При этом n=const. Для режима холостого хода УР определяется равенством индикаторного крутящего момента (М_i) и момента механических (внутренних) потерь (М_мех.). Необходимым условием УР является обеспечение постоянства температуры охлаждающей жидкости и масла в пределах, указанных в технических условиях на двигатель. При этом под постоянством М_е, n и т.д. понимаются средние значение за данный промежуток времени, а их неравномерностью и нестабильностью, связанными с особенностями работы ДВС, как машины циклического действия, пренебрегают (иногда говорят: практически постоянные М_е, n и т.д.).

Для установившегося режима работы (УР) справедлива зависимость:

Иначе говоря, все энергетические, экономические, экологические и прочие показатели работы двигателя являются функцией положения рейки (h_р) топливного насоса высокого давления (ТНВД) дизеля или положения дроссельной заслонки (φ_др.) двигателя с принудительным зажиганием (или вообще возможного органа управления работой двигателя - ОУРД) и частоты вращения (n) его вала. При этом параметры и показатели работы двигателя не зависят от времени.

Экспериментальным методом характеристики определяются на испытательных стендах, которые позволяют нагружать двигатель и поглощать развиваемую им мощность во всём диапазоне режимов его работы. Устройства нагружения называются тормозами. Стенды оборудованы устройствами измерения и регистрации параметров и показателей работы двигателя, а также устройствами и системами для поддержания режима его работы.

В реальных условиях эксплуатации параметры и показатели могут меняться со временем в зависимости от конкретных условий эксплуатации и тогда говорят о неустановившихся режимах работы (НУР). Основным признаком появления неустановившегося режима является нарушение статического равновесия моментов двигателя и сопротивления: . Здесь I_уст. – момент инерции установки двигатель – потребитель. В то же время неустановившийся режим возможен и при условии, что М_е = М_с = var, n = const. Т.е. равновесие по моментам сохраняется, но уже лишь динамическое, т.к. в общем случае моменты двигателя и потребителя изменяются во времени, оставаясь между собой равными в любой момент.

Для неустановившегося режима работы (НУР) справедлива зависимость:

Т.е. его параметры и показатели изменяются не только в зависимости от положения регулирующего органа и частоты вращения, но и от давления надувочного воздуха и его температуры, теплового состояния двигателя или его охлаждающей жидкости, цикловых подач топлива и воздуха и т.д., а также времени t.

Данный раздел учебного курса касается характеристик двигателей в условиях установившихся режимов работы. (Характеристики двигателей при НУР изучаются в специальном курсе по программе магистратуры).

1. О Б Щ И Е П О Л О Ж Е Н И Я.

1.1. А Н А Л И З У С Л О В И Й Э К С П Л У А Т А Ц И И Д В С.

В настоящее время трудно назвать отрасль народного хозяйства, в которой не применялся бы поршневой или комбинированный двигатель внутреннего сгорания (См. таблицу 1.1).

Таблица 1.1

Области применения ДВС.

Разные назначения и разные условия эксплуатации предъявляют к двигателю разные требования. Так от двигателя автомобильного транспорта требуется работа в широком диапазоне изменения и эффективной мощности N_e (или эффективного крутящего момента – М_е), и частоты вращения (n). Он должен быстро разгоняться, должен быть способным к длительной работе на холостом ходу (ХХ) и под полной нагрузкой.

Двигатель маневрового тепловоза работает с частой сменой режима от холостого хода до кратковременных перегрузок.

Двигатель электрогенератора должен с минимальными отклонениями от заданного скоростного режима быстро менять мощность в соответствии с требованиями потребителя.

Судовой двигатель должен работать надёжно и с полной нагрузкой в течение десятков дней без остановок и иметь моторесурс, исчисляемый годами.

Особенно тяжелы условия эксплуатации двигателей бульдозеров, экскаваторов, буровых установок и т.д.

В целом требования к современным двигателям заключаются в следующем: надёжная, долговечная, экономичная, малотоксичная, малошумная работа в широком диапазоне изменения скоростей и мощностей.

Границы этих диапазонов определяются возможными и допустимыми условиями работы двигателя и потребителя.

Все возможные потребители энергии могут быть разделены на 3 основных класса:

1 - потребители, характеристики которых могут располагаться в широком диапазоне изменения частот вращения и мощностей (или крутящих моментов);

2 - потребители, характеристики изменения мощностей или моментов которых имеют определённую, закономерную зависимость от частоты вращения и

3 –потребители, характеристики которых по мощности (или моменту) располагаются при постоянной частоте вращения.

1 2 3

Рис. 1.1. Возможные виды характеристик потребителей энергии (сопротивлений) М_п (М_с).

Во всём поле режимов по схеме 1 может работать, например, автомобиль. Потребляемая им мощность зависит от дорожных условий, загруженности автомобиля, используемой передачи, типа и состояния шин, колёс (вообще движителя), силы и направления ветра. В таких установках управление режимом осуществляется как с помощью двигателя, так и с помощью потребителя (изменение передачи). У потребителей 2 и 3 имеется однозначная связь между мощностью потребителя и числом оборотов. Примером потребителя вида 2 являются винтовые характеристики для которых существуют следующие зависимости: N_c=A·n³ или N_c=B·n^m и т.д. Управление режимами работы таких потребителей производится только в помощью двигателя.

Примером характеристик вида 3 является характеристика генератора или компрессора. Управление такой установкой может осуществляться как с помощью только двигателя, так и совместно с потребителем.

1.2. П О Л Е Д О П У С Т И М Ы Х И В О З М О Ж Н Ы Х

Р Е Ж И М О В Р А Б О Т Ы Д В С.

По своим конструктивным особенностям ДВС могут работать устойчиво лишь при частотах вращения выше некоторой минимальной n_min (рис. 1.2). Существует такая максимальная частота вращения холостого хода n_max.х.х., выше которой двигатель не может работать либо по условиям организации рабочего процесса, либо по условиям механической прочности деталей и в соответствии с условиями совместной работы газотурбонагнетателя и поршневой части. Для многих дизелей существует разносная частота вращения n_{разнос.}, при которой двигатель разрушается инерционными силами. Чтобы не допустить выхода на такой режим, дизель снабжается регулятором частоты вращения (n_рег.). Двигатель с искровым зажиганием (ДсИЗ) такой частоты не достигает, благодаря наличию дроссельной заслонки (ДЗ), возможно, диффузора, которые увеличивают гидравлическое сопротивление на впуске и резко снижают наполнение цилиндров свежим зарядом. Развиваемая двигателем мощность резко снижается. Двигатель выходит на режим холостого хода быстрее, чем дизель.

Рис. 1.2. Поле возможных режимов работы ДВС: УР, НУР – установившийся режим, неустановившийся режим; n_рег. - регуляторная характеристика.

Для каждого двигателя данной конструкции при данной частоте вращения существует предельный, максимальный крутящий момент М_е.. Нижней границей по крутящему моменту является момент, равный всем механическим потерям в двигателе (М_мех.), т.е. режимы холостого хода, когда весь развиваемый двигателем индикаторный момент тратится на преодоление механических сопротивлений: М_i=М_мех., т. е. М_е. = 0. Любая точка поля на рис. 2 представляет собой режим работы двигателя или двигателя с потребителем. При этом возможна работа ДВС на установившихся (УР) и неустановившихся (НУР) режимах. Под установившимся режимом (УР) ДВС, как машины циклического действия, понимается такой, когда все параметры и показатели рабочих процессов и в целом двигателя с течением времени остаются практически постоянными. В этом случае все параметры и показатели в своём изменении не выходят за установленные для данного двигателя пределы или являются периодической функцией времени, углов поворота вала с заранее установленными показателями таких функций: амплитуда, частота изменения того или иного показателя. Другой разновидностью режимов работы ДВС являются неустановившиеся режимы (НУР), т.е. такие, при которых по меньшей мере один из показателей (М_е., N_е., g_e., η_е. и т.д.) работы двигателя или параметров (α, φ_о.з., θ_о.в., р_к., η_v и т. д.) рабочих процессов непрерывно изменяются во времени, т.е. в своём изменении выходят за заранее установленные пределы или являются периодической функцией времени (угла поворота вала), амплитуда и частота которых превосходит заранее установленные показатели.

Таким образом, УР двигателя возможен лишь в том случае, когда момент, развиваемый двигателем, и момент, потребляемый потребителем, равны между собой и остаются практически постоянными.

Мощность (и момент) двигателя при данной частоте вращения изменяют перестановкой органа управления – рейки (h_p) ТНВД, дроссельной заслонки (φ_др.). Мощность или момент потребителя изменяют при данной частоте вращения перестановкой органа управления потребителем. Каждому постоянному положению органа управления двигателя или потребителя соответствует определённая характеристика соответственно двигателя или потребителя в функции от частоты вращения n. Таким образом, точки пересечения характеристик двигателя и потребителя, т.е. точки, в которых моменты, (мощности) двигателя и потребителя равны и не меняются во времени, характеризуют своими параметрами установившиеся режимы работы двигателя с потребителем. В общем случае характеристиками двигателя называются кривые изменения мощности, момента, расхода топлива и т.д. в функции от числа оборотов, нагрузки, давления на впуске и других основных параметров. Кривые изменения мощности, моментов и т.д. потребителя в функции от частоты вращения, нагрузки и других параметров называются характеристиками потребителей.

На рис. 1.3 показаны совмещённые характеристики изменения мощности двигателя (1, 2, 3, 4) при разных, но постоянных для каждой характеристики, положениях регулирующего органа (в данном случае - φ_др.), и характеристики изменения мощности потребителя (а, б, в, г) при разных, но постоянных для каждой характеристики, положениях регулирующего органа потребителя.

Рис. 1.3. Характеристики изменения мощности двигателя (N_e) и потребителя (сопротивления) (N_c) в функции от частоты вращения (n) при постоянных положениях регулирующих органов.

1.3. В И Д Ы Х А Р А К Т Е Р И С Т И К Д В С.

Различают следующие основные виды характеристик ДВС (а в принципе и любых других машин): скоростные характеристики, нагрузочные, винтовые, генераторные (тепловозные) характеристики, регуляторные характеристики, регулировочные характеристики, универсальные (многопараметровые) характеристики.

Скоростные характеристики – зависимости параметров и показателей работы двигателя от частоты вращения при постоянстве положения регулирующего органа двигателя. (М_е, N_e, р_е, g_e, М_i, N_i, η_i…=f(n) при h_p (φ_др.)=сonst).

Рис. 1.4. Скоростные характеристики дизеля.

Нагрузочные характеристики – зависимости параметров и показателей работы двигателя от нагрузки при постоянстве частоты вращения (g_e, М_i, N_i, η_i…=f(М_е или N_e, или р_е,) при n=сonst.). Положение органа управления двигателем конечно меняется для изменения нагрузки.

Рис. 1.5. Нагрузочные характеристики: (G_т., g_e, B = f(M_e, или р_е., или N_e) при постоянстве частоты вращения n.

Винтовые, генераторные характеристики – зависимости параметров и показателей двигателя при работе по винтовой, генераторной характеристике. Это также зависимости от частоты вращения при переменном положении органа управления двигателем, но не произвольном, а обеспечивающем работу на винт, генератор, т.е., например, по закону N_с.=А·n^m. (М_е, N_e, р_е, g_e, М_i, N_i, η_i…=f(n) при h_p (φ_др.)=var).

Рис. 1.6. Винтовая характеристика двигателя (судовой винт фиксированного шага – ВФШ).

Показатель степени m для винта работающего в воде, составляет примерно 3, для воздушного винта - около 2 и т.д.

Регулировочные характеристики – зависимости показателей двигателя от регулировочного параметра при постоянстве n и h_p (или φ_др.). (М_е, N_e, р_е, g_e, М_i, N_i, η_i…=f(α или φ_о.з., или φ_о.в., или Т_о.ж. ) при n=const, h_p или φ_др.=const).

Рис. 1.7. Регулировочная характеристика ДсИЗ по углу опережения зажигания (φ_о.з.)

При экспериментальных исследованиях (или с помощью численного эксперимента – математического моделирования процессов) определяются те углы опережения, которые обеспечивают минимальный удельный расход топлива на данном скоростном режиме (при данной частоте n) и данной нагрузке (данном положении дроссельной заслонки φ _др.). Благодаря этим характеристикам выясняется, как должен изменяться угол опережения зажигания, чтобы при изменении частоты вращения и/или положения дроссельной заслонки удельный эффективный расход топлива оставался минимальным. С использованием таких характеристик создаётся соответствующая система автоматического регулирования угла опережения зажигания (УОЗ) в широком диапазоне режимов работы двигателя.

Регуляторные характеристики – зависимости параметров и показателей двигателя при поддержании прежде всего скоростных режимов с помощью регулятора. (М_е, N_e, р_е, g_e, М_i, N_i, η_i…=f(n) при h_p (φ_др.)=var и управлении двигателем с помощью регулятора). В данном случае характеристика также строится в зависимости от n, однако положение регулирующего органа в этом случае изменяется, причём, по закону, который задаёт регулятор (рис. 8), в отличие от, например, тепловозной или винтовой характеристики, где закон изменения положения регулирующего органа зависит от характеристики потребителя.

Рис. 1.8. Регуляторные характеристики дизеля (регулятор частоты вращения)

На рис. 1.8 показаны характеристики так называемого предельного регулятора, который ограничивает возможность роста частоты вращения в допустимых пределах. Регуляторы могут быть также двух режимными, трёх режимными многорежимными т.д., что зависит от назначения конкретного двигателя.

В большинстве указанных характеристик анализируются зависимости различных показателей (М_е., g_е. и т.д.) от одного независимого переменного параметра (n или р_е и т.д.). На практике часто возникает необходимость изучения изменения параметров и показателей двигателя от двух переменных и более. Это делается с помощью многопараметровых, универсальных характеристик (рис. 1.9). В таких характеристиках исследуемый показатель изображается в виде линий его постоянных значений в координатах р_е. (или М_е.) – n. Это позволяет анализировать исследуемый показатель во всём поле активных скоростных и нагрузочных режимов двигателя.

С использованием таких характеристик можно обоснованно выбирать желательные регулировки двигателя, с целью обеспечения высокой экономичности, пониженной токсичности и т.д.

Рис. 1.9. Многопараметровая (универсальная) характеристика двигателя в координатах М_е. – n.

1.4. Р Е Ж И М Ы С О В М Е С Т Н О Й Р А Б О Т Ы Д В С

С П О Т Р Е Б И Т Е Л Е М.

Как указано выше, установившийся режим (УР) работы двигателя с потребителем можно изобразить точкой пересечения их характеристик. Для того, чтобы определить важнейшие требования, которые потребитель предъявляет к двигателю, к его характеристикам, рассмотрим пример изменения режимов совместной работы двигателя с потребителем его мощности (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Влияние вида скоростной характеристики двигателя (М_е. или М’_е.) на изменение скоростного режима совместной работы двигателя с потребителем (М_с.1, М_с.2, М_с.3, М_с.4).

Рассмотрим два двигателя (например, автомобильных, с одинаковой номинальной мощностью (одинаковыми номинальными моментами), с разными скоростными характеристиками: М_е.=f(n) и М’_e.=f(n), которые являются внешними (внешними скоростными характеристиками – ВСХ), т.е. полученными при полных подачах топлива (положениях регулирующих органов, например, h_p=100%). В обоих случаях двигатели работают с одинаковыми потребителями, которые имеют характеристики М_с.1, М_с.2, М_с.3 и М_с.4 =f(n), (соответственно с возрастанием нагрузки).

Режимами совместной работы силовых установок двигатель – потребитель являются точки 1, 2, 3, 4 – для первого двигателя и 1’, 2’, 3’ – для второго. Как видно по характеристикам, первый двигатель при возрастании нагрузки до М_с.3 снижает частоту вращения лишь до n₃, в то врем, как второй – до n’₃< n₃. В результате первый двигатель преодолеет возникшее препятствие, возросшее сопротивление с меньшей потерей скорости, чем второй. Если сопротивление возрастёт до уровня М_с4, то первый двигатель сможет его преодолеть без переключения передачи, а второй двигатель будет совершать выбег, частота вращения будет снижаться, так как даже в зоне «А» нет точки пересечения характеристик, т.е. нет режима совместной работы на УР. Двигатель заглохнет, если не провести переключение передачи.

Такие качества двигателя отражаются показателем – «коэффициентом приспособляемости»: К_м.=М_е.max/М_е.ном. Чем больше К_м., тем лучше данный двигатель приспосабливается к изменению нагрузки. Отметим, что часто применяется показатель, называемый «скоростным коэффициентом», К_n=n_м/n_ном.. Где n_м.- частота вращения, при которой достигается максимум крутящего момента. Т. е. можно сказать, что приспособляемость двигателя к нагрузке определяется не только ростом его момента при снижении частоты вращения, но и тем падением частоты вращения, который происходит при преодолении возросшего сопротивления движению.

1.5. У С Т О Й Ч И В О С Т Ь Р Е Ж И М А Р А Б О Т Ы

Д В И Г А Т Е Л Я С П О Т Р Е Б И Т Е Л Е М.

Вид, форма характеристик ДВС при данной характеристике потребителя существенно влияет на возможность установки работать устойчиво, длительное время на данном режиме, т.е. без колебаний частоты вращения, без необходимости включения регулятора или управляющих действий со стороны оператора, водителя. Эта способность двигателя отражается показателем «фактор устойчивости» режима совместной работы двигателя с потребителем: F _д. На рис. 1.11 показана схема устойчивого режима работы в точке 1 при частоте вращения n₁.

Рис. 1.11. Определение фактора устойчивости режима двигателя с потребителем, режим устойчив: F _д. >0.

В этом режиме М_е1 =М_с1=const, режим является не только установившимся, но и устойчивым. Действительно, при случайном отклонении частоты вращения, например, на +∆n, момент сопротивления и крутящий момент двигателя изменяются соответственно на величины +∆М_с. и - ∆М_е.. Повышенное сопротивление приводит к снижению частоты вращения, режим в точке 1 восстанавливается. То же произойдёт, если случится случайное отклонение частоты вращения на величину -∆n.

Если F _д. >0, то режим является устойчивым. При F _д. <0 режим является неустойчивым (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Пример неустойчивого режима: F _д. <0.

Физически неустойчивость режима проявляется в том, что при случайном отклонении частоты вращения от установившегося режима в точке 1 происходит либо разгон, либо выбег, замедление вращения вала. В результате потребуются какие – то управляющие воздействия для восстановления исходного режима или перевод системы на новый режим.

Таким образом, можно сказать, что потребитель предъявляет к характеристикам двигателя, прежде всего к его скоростным характеристикам, определённые требования. Поэтому следует представлять, какие закономерности в протекании процессов в ДВС определяют получение той или иной характеристики, какими путями, какими средствами можно формировать характеристики двигателя.

2. С К О Р О С Т Н Ы Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И Д В С.

Для построения или анализа скоростных характеристик целесообразно выявить те основные параметры, которые определяют протекание таких важнейших показателей, как среднее эффективное давление, эффективный крутящий момент, эффективная мощность, удельный расход топлива и т.д.

Анализ протекания характеристик двигателей удобно проводить, используя уравнение Б.С. Стечкина о связях основных показателей работы ДВС с его параметрами.

(Здесь и далее К, К’, К”, К”’ – постоянные коэффициенты). Для момента (или пропорционального ему среднего эффективного давления) получаем: Согласно физическому смыслу среднего эффективного давления имеем: где эффективная работа цикла, рабочий объём цилиндра. При этом, где низшая теплота сгорания топлива, g_ц.т. – цикловая подача топлива, эффективный КПД. Если то имеем: Тогда: Таким образом, зная характеристики изменения цикловых подач топлива, коэффициентов наполнения, механических КПД, взаимосвязи индикаторного КПД с составом смеси и т.д. можно строить, прогнозировать, корректировать характеристики протекания выходных показателей работы двигателя.

Дата добавления: 2014-12-26