В В Е Д Е Н И Е 5 страница

7. У Н И В Е Р С А Л Ь Н Ы Е (М Н О Г О П А Р А М Е Т Р О В Ы Е,

К О М Б И Н И Р О В А Н Н Ы Е) Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

В большинстве рассмотренных выше характеристик двигателей анализировались зависимости различных показателей от одного независимого переменного: в скоростных характеристиках — от n, в нагрузочных — от N_e, p_e или М_е. и т. д. В практике часто возникает необходимость изучения изменения параметров и показателей двигателя в зависимости от двух переменных или более, изображая эти зависимости двумерными, т.е. на плоскости. Анализ зависимости выходных показателей от двух независимых переменных можно выполнить с использованием универсальных или, иначе говоря, многопараметровых, комбинированных характеристик. Наиболее часто применительно к анализу двигателей исследуемый показатель изображается в координатах крутящий момент (или р_е.) - частота вращения в виде линий постоянных значений исследуемого показателя, что позволяет анализировать его изменение во всем поле активных нагрузочных и скоростных режимов двигателя. Итак, третий показатель, используемый в качестве параметра, остается постоянным для каждой из нанесенных кривых. В качестве параметров, характеризующих кривые, обычно используют эффективную мощность, удельный расход топлива, концентрации токсичных веществ и т.д.. Вид такой характеристики зависит от назначения двигателя. На рис. 7.1 показана комбинированная характеристика автомобильного четырехтактного дизеля 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н) с газотурбинным наддувом [2].

Рис. 7.1. Комбинированная (универсальная, многопараметровая) характеристика автомобильного дизеля 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н) [2].

Эта характеристика типична для двигателя, предназначенного для работы в широком диапазоне изменения частоты вращения вала и нагрузки. Параметрические кривые удельного расхода топлива автотракторных двигателей являются пологими при изменении частоты вращения. В результате этого зоны одинаковых удельных расходов топлива вытянуты в направлении оси, по которой отложена частота вращения вала двигателя. На такой характеристике наглядно видны режимы наибольшей экономичности двигателя — область, вокруг которой расположены кривые постоянных значений удельного расхода топлива. Экономическая характеристика дизеля, представляющая собой изменение р_е. в зависимости от nпри наименьшем удельном расходе топлива, показана штрихпунктирной линией. Параметрические кривые эффективной мощности, изображенные штриховыми линиями, представляют собой гиперболы, уравнение которых имеет вид , где b – постоянная величина для каждой кривой мощности; b = τ·N_e/(i·V_h).

Особенности комбинированной характеристики судового двигателя, работающего на винт [2], можно установить из анализа характеристики двухтактного двигателя 12ДН 23/ЗО (40ДМ), показанной на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Комбинированная характеристика судового двухтактного дизеля 12ДН 23/30 (40ДМ) [2].

В отличие от рассмотренной выше характеристики автомобильного комбинированного двигателя 8ЧН 13/14 (ЯМ3-2З8Н) параметрические кривые удельных расходов топлива и области, ограниченные ими, для двигателя 12ДН 23/ЗО вытянуты по направлению винтовой характеристики. Экономическая характеристика 3также с определенной степенью приближения повторяет винтовую характеристику. Для построения комбинированной характеристики необходимо иметь серию нагрузочных характеристик, полученных при различных постоянных частотах вращения. Используя эти кривые, в координатах р_е., n наносят точки, соответствующие одинаковым удельным расходам топлива, и соединяют их. Аналогично строят параметрические кривые эффективной мощности. В последнем случае можно также использовать и приведенную выше зависимость между р_е.и nпри одинаковой величине N_e.

На рис. 7.3 показана многопараметровая характеристика двигателя в координатах М_е. – n, характеризующая его топливную экономичность. Поле этой характеристики с линиями постоянного значения g_eили η_e сверху ограничено кривой крутящего момента по внешней скоростной характеристике, снизу - осью абсцисс, соответствующей режимам холостого хода, а справа и слева - максимальной и минимальной частотам вращения вала. Для удобства анализа на график часто наносят сетку линий, соответствующих постоянным значениям N_e.Следует отметить, что для построения линий постоянных значений N_eнет необходимости прибегать к экспериментам, так как между N_e и значениями M_e и n существует однозначная связь.

Рис. 7.3. Многопараметровая (универсальная) характеристика двигателя в координатах М_е. – n [1].

Анализ такой характеристики [1] помогает быстро оценить зоны наиболее экономичных режимов работы двигателя, сравнить между собой несколько двигателей или результаты модификации данного двигателя, выбрать наиболее выгодный режим работы. Одна и та же мощность двигателя может быть получена при различных сочетаниях n и М_е., но топливная экономичность, экологические и другие показатели двигателя будут при этом отличаться. Так, из рис. 7.3 очевидно, что наилучшая топливная экономичность данного двигателя (и автомобиля), например, при мощности N_e = 30 кВт будет достигнута при сочетании n₁ и М_е.1. Следовательно, подобные многопараметровые характеристики удобны для выбора экономичного режима работы двигателей стационарных установок или при определении передаточных отношений трансмиссии автомобиля. Построение многопараметровых характеристик в координатах М_е. - n ведется на основании серии нагрузочных характеристик, определяемых при различных скоростных режимах, или внешней скоростной и серии частичных скоростных характеристик, получаемых экспериментально. В случае недостаточного числа исходных характеристик промежуточные точки изолиний могут быть найденыграфической интерполяцией. Возможно построение многопараметровых характеристик и по результатам расчетного моделирования. Многопараметровые характеристики используют не только при анализе топливной экономичности, токсичности, механического КПД и другихвыходных показателей двигателей, но и при рассмотрении протекания других параметров, например показателей процессов сгорания и тепловыделения, и они могут быть построены в иных координатах. В связи с внедрением электронных систем управления на многопараметровых характеристиках часто изображают линии постоянных значений таких управляемых параметров, как α, φ_о.з. и т. п., что позволяет затем построить соответствующие матрицы значений управляемых параметров для систем с программным управлением. Построение многопараметровых характеристик можно автоматизировать с использованием ЭВМ. Для этого данные испытаний (например, нагрузочные характеристики или результаты многофакторных экспериментов) аппроксимируют математическими зависимостями, из которых затем находят координаты точек с постоянным значением исследуемого параметра. Эти точки наносят на график многопараметровой характеристики и аппроксимируют по участкам линейными, квадратичными или более сложными зависимостями, образующими изолинии. При необходимости анализировать совместное влияние трех и более независимых параметров на исследуемый показатель обычно прибегают к математическому моделированию и для поиска оптимальных решений используют не графические методы, а расчеты на ЭВМ.

Итак, обычно нагрузочные характеристики являются исходными для построения так называемых многопараметровых или универсальных характеристик, представляющих собой зависимость мощности от частоты вращения при постоянных значениях удельного эффективного расхода топлива, эффективного к. п. д. и т.д. [3]. На нагрузочные характеристики наносят горизонтальные прямые, соответствующие постоянным значениям удельного эффективного расхода топлива или эффективного к. п.д. (см. рис. 4.8), точки а, б, которые переносят в координаты N_e – n (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Универсальные характеристики дизеля 10 Д 100 [3].

Таким образом производится построение универсальных характеристик. Экономическая характеристика, соответствующая минимальным для каждой из частот вращения расходам топлива, проходит приблизительно через точки пересечения больших осей эллипсов, соответствующих геометрическому месту точек с постоянным удельным эффективным расходом топлива. Как видно из того же рисунка, тепловозная (генераторная) характеристика дизеля 10 Д100 тепловоза 2ТЭI0М не совпадает с экономической. Она характеризуется более резким падением мощности в зависимости от частоты вращения.

8. А Н А Л И З Р Е А Л Ь Н Ы Х С К О Р О С Т Н Ы Х

Х А Р А К Т Е Р И С Т И К

На графиках рис. 8.1 приведено сравнение внешних скоростных характеристик дизеля типа 8Ч13/14 в вариантах безнаддувном (д), с наддувом (дн), в газодизельном варианте (гд) и при форсировании его по мощности (гдф). Перевод дизеля на газодизельный цикл проведён путём впрыскивания в цилиндры смесевого топлива – смеси дизельного _(д) и газового _(г) (сжиженного пропана - бутана в жидкой фазе).

Рис. 8.1. Внешние скоростные характеристики дизеля типа 8Ч13/14 без наддува (д), с наддувом (дн), в газодизельном исполнении (гд) и газодизельном исполнении и форсировании по мощности (гдф): G_{т д} – часовой расход топлива дизельного, G_{т г} – часовой расход топлива газового, приведённого по теплоте сгорания к дизельному, G_{т г+д} – приведённый часовой расход смесевого топлива – дизельного и газового; Н – дымность ОГ по шкале Хартриджа; прив. – приведённый расход топлива (приведение по теплоте сгорания к дизельному); Н_{пред.дымл.} – дымность предела дымления.

Газодизельный вариант (гд) реализован при сохранении номинального крутящего момента (М_е = 775 Нм). Такой вариант обеспечил снижение дымности ОГ на всех режимах (малодымный дизель). Вариант форсированного дизеля получен при условии не превышения установленного предела дымления на номинальном режиме (Н_{пред. дымл.}=35%). В этих условиях удалось форсировать дизель по моменту до 880 Нм.

Сжиженный нефтяной газ (ГСН) вводился в линию высокого давления топливной системы дизеля перед форсункой в периоды между циклами топливоподачи, где и образовывалось смесевое топливо ДТ+ГСН. В очередном цикле топливоподачи полученное смесевое топливо впрыскивалось в цилиндр обычным порядком с помощью штатного топливного насоса. Таким образом, при данном положении рейки ТНВД введение ГСН увеличивало производительность топливоподачи. Поэтому ВСХ дизеля получена при положении рейки номинальном (h_p =100%). Форсирование дизеля наддувом проведено при h_p = 135%. Малодымный вариант (газодизель – гд) реализован при положении рейки h_p = 86%, а форсирование по мощности добавкой ГСН – при h_p = 98%.

9. П Р О Ч И Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И

Стремление получить оптимальные характеристики работы двигателя, а также возможности регулирования двигателя с использованием средств электроники привело к созданию сложных характеристик управления двигателем (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Поле запрограммированных характеристик давлений впрыскивания.

Очевидно, что появление таких характеристик возможно в результате больших объёмов экспериментальных исследований или математического моделирования работы двигателя.

Для двигателей с искровым зажиганием часто используются детонационные характеристики, определяющие пределы возможного регулирования двигателя на границе возникновения детонации.

При исследовании показателей токсичности и дымности ОГ ДВС и разработке рационально регулирования, когда требуется определение компроомиссного решения по наладке, регулировке двигателя, используются характеристики взаимосвязи одних параметров или показателей с другими (рис. 9.2). Такие характеристики позволяют подбирать регулировочные параметры двигателя в пользу снижения одного их показателей токсичности или в пользу показателя суммарной условной токсичности.

Рис. 9.2. Взаимосвязь между выбросами сажи и NO_x (n=1500 мин^-1; р_е=0,3 МПа.

ПРИЛОЖНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов/В. Н. Луканин, К. А. Морозов, А. С. Хачиян и др.; Под ред. В. Н. Луканина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школак, 2005. – 479 с.: ил. С. 86 – 91, 126 – 128, 165 – 167, 186 – 191, 195 – 197, 209 – 211, 219 – 220, 270 – 272, 342 – 343, 354 – 357, 362 – 404.

2. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания»/ Д. Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1983. – 372 с. ил. С. 170 – 175, 229 – 265.

3. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов/А. Э. Симсон, А. З. Хомич, А. А. Куриц и др. – 2 –е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1987. 536 с. С. 33 – 36, 343 – 354, 375 – 390.

4. Гаврилов В. С., Камкин С. В., Шмелёв В. П. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок. Учебное пособие для вузов. Изд. 3 – е, перераб. и доп. М.: Транспорт, 1985. 288 с. С. 12 – 18, 32 – 42, 46 – 52, 136 – 144.

5. Григорьев М. А., Долецкий В. А., Желтяков В. Т., Субботин Ю. Г. Под общей редакцией М. А. Григорьева. Обеспечение качества транспортных двигателей: т. 1. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998. – 632 с. С. 411 – 438, 477 – 492.

6. Дизели. Справочник. Изд. 3 – е, перераб. и доп. / Б. П. Байков, В. А. Вагшейдт, И. П. Воронов и др. Под общей редакцией В. А. Ваншейдта, Н. Н. Иванченко, Л. К. Коллерова. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд.-ние.), 1977. 480 с. с ил. С 57 – 62.

7. Колчин А. И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов./А. И. Колчин, В. П. Демидов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Шк., 2003. – 496 с.: ил. С. 19 – 30, 142 – 151.

8. Патрахальцев Н.Н., Эммиль М.В. Характеристики двигателей внутр. сгор./учебн. пособ./ М.-УДН.-1980. 16 с.

9. Патрахальцев Н.Н. Скоростные характеристики ДВС /лаборат. практикум./. М.-УДН.-1981. 16 с.

10. Патрахальцев Н.Н. Нагрузочные характеристики ДВС /лаборат. практикум./. М. -УДН.-1982. 32 с.

11. Патрахальцев Н.Н., Эммиль М. В., Ластра Л. А. Регулирование дизеля изменением свойств топлива (статья). //Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2000. № 8. С. 29 – 31.

12. Патрахальцев Н.Н., Виноградский В. Л., Л. Ластра. Корректирование скоростных характеристик дизеля добавлением в топливо сжиженного нефтяного газа (статья). //Строительные и дорожные машины, 2002, № 4, с.22 – 23.

13. Виноградский В. Л. Патрахальцев Н.Н., Савастенко А. А. Корректирование скоростных характеристик дизеля изменением физико-химических свойств топлива (статья). //Теория и практика инженерных исследований. Материалы науч. конфер. аспир., препод. и молодых учёных. 22-25 апр. 2002 г. М. Изд. РУДН, с.97-99.

14. Патрахальцев Н.Н., Горбунов В. В., Казначевский В. Л. Корректирование внешней скоростной характеристики дизеля добавкой сжиженного топливного пропана-бутана (СПБТ) к основному топливу (статья). ВЕСТНИК РУДН, 2004, № 1. - С. 48 – 51.

15. Патрахальцев Н.Н., Харитонов В. В., Бадеев А. А. Расширение диапазона скоростных режимов работы дизеля и повышение его динамических качеств (статья). // Строительные и дорожные машины. 2005, № 9. С 24-27.

16. Патрахальцев Н.Н., Бадеев А.А., Русинов А.Р. Возможности форсажа дизеля при ограничении дымности выбросов (статья). //Строительные и дорожные машины. 2006, № 5. С.40-42.

17. Патрахальцев Н.Н., Гильермо Лира Качо, Соболев И.А. Использование СУГ для форсирования мощности дизеля (статья). //АвтоГазоЗаправочный комплекс + Альтернативное топливо, 2007, № 3 (33). С. 28 – 29.

18. Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом (монография, второе издание). М. Легион – Автодата. 2006. 176 с.

Дата добавления: 2014-12-26