Обработка и анализ экспериментальных данных. Нагрузочные характеристики

 

Рис.2 Нагрузочная характеристика карбюраторного двигателя.

2.2 Исследование нагрузочной характеристики дизельного двигателя.

 

Нагрузочной характеристикой дизеля называют зависимость расхода топлива и других параметров рабочего процесса двигателя от нагрузки, т.е. от его мощности N_e или среднего эффективного давления p_e, или крутящего момента M_e при постоянной частоте вращения коленчатого вала (n=Const).

Taкие характеристики, полученные при различных, но постоянных оборотах двигателя, позволяют устанавливать в зависимости от нагрузки для каждого скоростного режима часовой и удельный расходы топлива, определять минимальный удельный расход топлива g_{e min} и допустимую предельную подачу топлива за цикл.

По  данным нагрузочных характеристик  могут быть построены скоростные характеристики двигателя.

В силу особенностей способа смесеобразования, сгорания и качественного регулирования  мощности, нагрузочные характеристики дизелей (характер изменения (α, ηi, ηv, ge) отличаются от аналогичных характеристик карбюраторных двигателей.

Напомним, что у дизелей образование  топливовоздушной смеси происходит непосредственно в цилиндре в  весьма короткие промежутки времени, измеряемыми тысячными доля ми секунды. При этом коэффициент избытка воздуха а является средней величиной для всего количества топлива и воздуха, участвующих в данном цикле. В действительности, впрыскиваемое топливо распределяется по объему камеры сгорания неравномерно, образуя зоны с различной концентрацией топлива и воздуха, т. е. с различными истинными значениями а. Вследствие этого в дизеле возможно значительное обеднение смеси до а = 4...6, что позволяет осуществлять так называемое качественное регулирование мощности вплоть до холостого хода.

При качественном регулировании, т.е. при изменении  состава смеси, изменение мощности двигателя при n=Const происходит за счет увеличения или уменьшения только количества топлива, впрыскиваемого за цикл при почти неизменном количестве воздуха. Практически это осуществляется изменением положения рейки топливного насоса. При этом коэффициент наполнения, определяющий количество поступающего воздуха в цилиндр, с изменением нагрузки остается почти постоянным и лишь несколько уменьшается с увеличением мощности, вследствие увеличивающегося подогрева заряда. Поэтому с уменьшением нагрузки коэффициент избытка воздуха, как это видно из формулы:

будет зависеть, в основном, от изменения  часового расхода топлива. Например, с уменьшением G_m мощность уменьшается, а а возрастает.

Напомним также, что у дизелей  с увеличением а до значений 4,5...6,0 индикаторный к.п.д. возрастает, в основном, вследствие увеличения ηi из-за уменьшения теплоемкостей продуктов сгорания. С уменьшением а (при увеличении нагрузки) индикаторный к. п. д. понижается и, особенно резко, при значениях а, приближающихся к единице. Наибольшая мощность двигателей по нагрузочной характеристике получается

при максимальном значении величины Зi/α, определяющей качество протекания рабочего процесса. У дизелей Nв max достигается при значении а несколько большом единицы а_тin = 1,05...1,1. Однако при уменьшении коэффициента избытка воздуха ниже значений а_тiп = 1,25...1,60, зависящих от типа камеры сгорания, процессы смесеобразования и сгорания ухудшаются, вследствие резко возрастающей неоднородности смеси и недостатка воздуха в отдельных зонах камеры.

Ухудшение процесса наглядно проявляется в  увеличении дымности отработавших газов, сопровождается резким ухудшением экономичности, перегревом двигателя и нагарообразованием. Вследствие этого, длительная работа дизелей на режимах максимальной мощности, т.е. при Зi/α недопустима.

Для предотвращения чрезмерного обогащения смеси, максимальную цикловую подачу топлива ограничивают установкой специальных упоров рейки, так как топливные насосы обычно изготавливаются с запасом по производительности.

Отметим, что качественное регулирование  мощности дизелей (отсутствие дросселирования на впуске в отличие от карбюраторных двигателей) возможность работы на бедных смесях и высокие степени сжатия определяют существенно большую экономичность рабочего процесса дизелей, особенно на режимах частичных нагрузок (до 20...30 %) в сравнении с карбюраторными двигателями.

Примерный характер изменения основных показателей  дизеля по нагрузочной характеристике показан на рис. 3.

Характер  изменения кривой эффективного удельного  расхода топлива определяется величиной, обратной произведению ηi * η_м , что видно из известного выражения:

В связи  с этим кратко рассмотрим зависимости ηi и η_м от нагрузки. Увеличение количества подаваемого топлива с увеличением нагрузки, а также некоторое снижение ηv приводят к уменьшению а и, следовательно, к снижению индикаторного к.п.д. Некоторое увеличение ηi с увеличением N_e возможно лишь в области весьма малых нагрузок, т.е. при очень бедных смесях (а > 6,0).

Механический к.п.д. двигателя:

с увеличением  нагрузки возрастает, так как абсолютная величина индикаторной мощности, затрачиваемой на механические потери - N_M изменяется незначительно, а её относительная величина - N_M /Ni    по мере увеличения N_i снижается.

 

Рассматривая изменение удельного  эффективного расхода топлива из графиков, можно увидеть (см. рис. 3), что резкое уменьшение ge, при переходе от холостого хода к малым нагрузкам обусловлено вначале одновременным увеличением механического и индикаторного к.п.д. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к уменьшению ηi, но более резкое возрастание механического к. п. д. продолжает обеспечивать плавное снижение удельного расхода топлива. Очевидно значение g_{e i}

(точка 1 на рис. 3) будет получено при  нагрузке, когда произведение ηi * η_м станет максимальным: величина а при этом сходится в пределах 1,6...1,8. При увеличении нагрузки от точки 1 удельный расход топлива на участке 1-2 плавно возрастает, вследствие более значительного снижения ηi из-за уменьшения и, следовательно, ухудшения условий смесеобразования и сгорания. Это приводит к возрастающей неполноте сгорания, увеличению догорания на линии расширения и увеличению дыма в отработавших газах. Точка 2 характеристики называется предельной по началу дымления и соответствует достижению предельно допустимого значения коэффициента избытка воздуха а = 1,2...1,5, при котором дымление находится в допустимых пределах (отработавшие газы имеют прозрачную окраску).

Дальнейшая  форсировка дизеля от точки 2 (участок 2-3 рис. 3) путем увеличения подачи топлива, хотя и приводит к некоторому увеличению мощности, но сопровождается резким ухудшением экономичности, перегревом двигателя, появлением черного дыма в отработавших газах, что является следствием резкого ухудшения процесса сгорания при уменьшении ниже допустимых минимальных пределов аmin. Точка 3 соответствует достижению максимальной мощности на данном скоростном режиме, т.е. условию, когда фактор Зi/α имеет максимальное значение и величина близка к единице. Длительная эксплуатация дизеля на этом режиме, вследствие отмеченных ранее причин, невозможна без снижения долговечности и надежности работы. Поэтому предельно допустимая нагрузка (N_{e ном}) ограничивается точкой начала дымления (точка 2), которая ориентировочно может быть определена по нагрузочной характеристике касанием луча, проведенного из начала координат к кривой g_e. В точке 2 отношение ge /Ne достигает минимума.

Отметим, что получение участка 2-3 характеристики на серийном двигателе невозможно из-за наличия упора рейки.

 

Методика  снятия характеристики

После прогрева двигателя одновременным  плавным регулированием подачи топлива, перемещением рейки и регулировкой тормоза выводят двигатель на максимальное значение крутящего момента при выбранном скоростном режиме. Полученный режим работы, очевидно, будет соответствовать максимальной мощности двигателя при заданной частоте вращения.

Через некоторое время, достаточное для  стабилизации теплового состояния  и скоростного режима двигателя, после корректировки частоты  вращения, производят замеры:

• крутящего момента M_e или усилия на весах тормоза Р_вес;
• времени τ расхода заданной дозы топлива ∆G_m;
• расхода воздуха ∆V;
• частоты вращения коленчатого вала двигателя;
• температур воздуха, отработавших газов, воды и масла.

Далее переходят к следующему режиму, уменьшая цикловую подачу топлива перемещением рейки топливного насоса и одновременно поддерживая регулировкой тормоза прежнюю частоту вращения. После стабилизации теплового состояния и скоростного режима производят необходимые замеры. Так, последовательно уменьшая цикловую подачу топлива и сохраняя постоянным заданную частоту вращения двигателя, получают: 6....8 точек характеристики. В области нагрузки от N_{e max}   до 60 % N_{e max}   замеры следует производить более часто, т. е. при небольшом интервале изменения мощности с целью более точного выявления зоны минимального удельного расхода топлива. Минимальные нагрузки обычно ограничиваются 15...20 % мощности на данном скоростном режиме.

Для более  полного и наглядного анализа  полученных результатов необходимо определение по нагрузочной характеристике величин ηi и η_м. Для этого условную мощность механических потерь двигателя N_M можно определить методом прокручивания его от электротормоза. Величина механических потерь в дизеле с некоторым приближением может быть принята постоянной для всего диапазона изменения нагрузки.

Перед определением механических потерь вновь  устанавливают режим максимального момента при заданной частоте вращения и после стабилизации теплового состояния выключают подачу топлива, одновременно быстро восстанавливая и поддерживая регулировкой тормоза прежний скоростной режим. По весам замеряют величину момента М_пр или усилия Р_пр, затрачиваемого электротормозом на прокручивание двигателя. Время перехода на режим прокрутки и проведение замера должно быть минимально возможным (15….25 сек) с тем, чтобы сохранить тепловой режим двигателя практически таким же, как и под нагрузкой.

После записи результатов всех замеров  в протокол, подсчет величин N_e, p_e, G_m, G_B, g_e, η_v и α производят по соответствующий формулам.

Условную  мощность потерь на трение определяют по формуле, кВт:

Тогда индикаторная мощность на каждом нагрузочном  режиме будет, кВт:

, а механический к. п. д. :

 

 

Индикаторный к.п.д. находят из выражения:

 

,где низшая теплота сгорания обычно применяемого дизельного топлива, ккал/г:

По результатам расчетов строят нагрузочную характеристику с расположением необходимых графиков, как ориентировочно показано на рис. 4.

 

Список литературы.

1. Гергенов С.М. Исследование нагрузочных характеристик Д.В.С. Методическое пособие. - Издательство ВСГТУ, Улан-Удэ, 2005 г.
2. Гусаков С.В., Патрахальцев Н.Н. Планирование, проведение и обработка данных экспериментальных исследований двигателей внутреннего сгорания. Учебное пособие. - М.: Изд-во РУДН, 2004. - 28 с.: