Нагрузочная характеристика дизельного двигателя – 1. Нагрузочные характеристики двигателей

1. Нагрузочные характеристики двигателей

Нагрузочной характеристикой двигателя внутреннего сгорания называется комплекс зависимостей часового, удельного эффективного расходов топлива и других показателей двигателя от его нагрузки при постоянной частоте вращения коленчатого вала.

В качестве показателя величины нагрузки могут выступать эффективная мощность, крутящий момент или, чаще всего, среднее эффективное давление. Иногда характеристику строят по аргументу, представленному в относительных величинах, например в процентах от максимальной (номинальной) мощности. На характеристику, кроме графиков расходов топлива, обычно наносят также кривые часового расхода воздуха, коэффициента наполнения, коэффициента избытка воздуха и других показателей двигателя.

1.1.Нагркзочная характеристика дизеля

Н

Рис. 3.1. Зависимость показателей дизеля от нагрузки при n = const

агрузочная характеристика может сниматься как при регулировке топливного насоса высокого давления (ТНВД), установленной заводом изготовителем, так и с демонтированным устройством ограничения хода рейки ТНВД. Во втором случае цикловая подача топлива лимитируетсянаибольшей производительностью плунжерной пары насоса, что дает возможность обеспечить переобогащение смеси, выявить предел дымления и определить максимальную эффективную мощность, которую может развить дизель при данной частоте вращения коленчатого вала (рис. 3.1). На наиболее экономичном режиме (точка 1) дизель работает при полном бездымном сгорании при коэффициенте избытка воздуха α =1,5…2,0. С увеличением нагрузки, а следовательно, и расхода топлива G_T смесь обогащается, коэффициент α приближается к значениям 1,2…1,3, что приводит к неполноте сгорания топлива и возникновению дымления из-за появления в отработавших газах несгоревших углеродистых частиц — сажи (точка

3). Достижение максимальной мощности (точка 4) связано с переходом к еще более богатым смесям, коэффициент избытка воздуха при этом приближается к значению α =1, отработавшие газы приобретают черную окраску, удельный эффективный расход топлива существенно повышается. Дальнейшее увеличение цикловой подачи топлива приводит к еще большему ухудшению сгорания и падению мощности. Работа дизеля на режимах, сопровождающихся дымлением, не допускается. Режим номинальной мощности, определяемый (устанавливаемый) заводом-изготовителем, должен гарантировать бездымную работу дизеля (точка 2).

Анализ нагрузочной характеристики дизеля

Нарис. 3.2. представлена нагрузочная характеристика дизеля. Часовой расход топлива G_T с увеличением нагрузки р

е при n=const возрастает, так как при перемещении органа управления топливного насоса увеличивается цикловая подача топлива. До нагрузки примерно 70…75% от максимальной (р_е=0,5 МПа) зависимость G_T= f(p_e) близка к линейной. При меньших нагрузках вследствие появления неполноты сгорания крутизна кривой G_T несколько увеличивается.

Часовой расход воздуха G_B у дизеля с ростом нагрузки при n=const, должен быть практически постоянным. Однако увеличение нагрузки сопровождается общим возрастанием тепловой напряженности двигателя, особенно заметным при больших нагрузках и при максимальной мощности. По этой причине увеличивается подогрев свежего заряда, плотность его снижается, что приводит к некоторому уменьшению G_B и соответственно коэффициента наполнения η_V.

К

Рис. 3.2. Нагрузочная

характеристика дизеля

оэффициент избытка воздуха α снижается от α = 5,0…6,0 на холостом ходу (р_е=0) до α =1,75 на режиме наименьшего удельного эффективного расхода топлива (при р_е = 0,56 МПа), поскольку наибольшая полнота сгорания топлива достигается, как правило, при α =1,6…1,8. Для получения максимальной (или номинальной) мощности смесь должна быть обогащена до α_Н=1,2…1,4 (в зависимости от типа камеры сгорания и способа смесеобразования). У исследуемого дизеля α_Н =1,5.

Минимальный удельный эффективный расход топлива, равный 230 г/(кВт ч), наблюдается при р_е= 0,56 МПа. При меньшей нагрузке экономичность двигателя ухудшается, так как увеличивается относительная доля механических потерь (механический КПД η_М падает). При больших нагрузках удельный расход топлива возрастает из-за увеличения неполноты сгорания топлива. На номинальном режиме g_e=235 г/(кВтч).

studfiles.net

Нагрузочная характеристика двигателя

Нагрузочная характеристика двигателя определяется пропорциональностью главных параметров двигателя, а также показателем нагрузки при неизменных оборотах коленвала. Настоящее определение показывает деятельность мотора машины в движении в одинаковом скоростном режиме, на одной и той же передаче при различных сопротивлениях дорожного покрытия.

Типичный график нагрузочной характеристики мотора

Определяющими параметрами мотора по нагрузочной характеристике считаются GT и ge. Кроме этого, выделяют:

• температуру высвобождаемого воздуха;
• коэффициент заполнения;
• коэффициент повышенности газов;
• ускоренное впрыскивание;
• токсичность выхлопных газов;
• задымление (для дизельных двигателей).

Холостой ход при определённых оборотах соответствует крайней точке характеристики слева. Точка справа — предельной нагрузке, которую двигатель способен вынести на тех же оборотах.

В карбюраторном моторе снижение мощности при постоянном значении скорости происходит с помощью закрытия дросселя. Плотность снижается, а отсюда количество поступления топлива. Такой тип контроля именуется количественным. При закрытии дросселя экономия мотора изменяется. Её оценка, а также других параметров движка измеряется нагрузочной характеристикой.

Нагрузочная характеристика ДВС зависит от потребления горючего, удельной эффективности такого потребления, а также других параметров при равномерной скорости и режиме тепла.

Изменение часовой затраты горючего зависит от составляющих компонентов топлива, а также показателя заполнения. Одновременно с открытием дросселя сопротивление гидравлики впуска снижается, показатель заполнения поднимается, как и затраты горючего.

Вместе со всем этим процессом меняется качество впрыскиваемого топлива. Показатель избыточности воздуха меняется с требуемой мощностью и контролем экономии топлива.

Завышенные затраты горючего при максимальных параметрах нагрузки можно объяснить насыщением топлива за счёт раскрытия створок экономайзера.

Механический КПД стремится к нулю при холостых оборотах, т. к. вся деятельность движка тратится, чтобы преодолеть механические потери. Также на холостых оборотах происходит обогащение топлива, потому что при открытии дросселя давление и температура снижаются, условия для зажжения искры становятся хуже.

Вместе с открытием дросселя в месте средней нагрузки обогащённое топливо уже не требуется, происходит подача более «бедного» горючего. Это повышает индикаторный КПД.

Способы снятия нагрузки

Мотор должен прогреться на маленькой нагрузке, дроссель открывают на всю. Частота оборотов движка регулируется с помощью тормозной системы. Как только тепловой и скоростной режимы устанавливаются в определённое положение, замеряют показатели:

• весов;
• затраты топлива по времени;
• частоты оборотов;
• температуры воды;
• температуры масла.

Значения записываются, после чего выставляют другой режим, но с заниженными показателями. Измеряют и заново сравнивают. На основе всех испытаний строится график, где видны коэффициенты изменений различных показателей — затраты горючей смеси, излишки воздуха, наполнения, температуры. С помощью подобных опытов находят оптимальный режим работы двигателя.

Определение нагрузки дизельного двигателя

Нагрузочная характеристика дизеля обуславливается затратами топлива и всеми показателями работы движка и его загруженности — мощность и давление при стабильных оборотах коленвала. Эти функции, возникшие от неизменных вращений, устанавливаются для всех скоростных режимов. Следует учитывать расходы топлива, максимально возможную подачу его и затраты за определённый период. Всем этим и характеризуются показатели двигателя.

Различия дизельного и карбюраторного двигателей

Нагрузочные характеристики дизеля отличаются от карбюраторного из-за особенных способов сгорания, образования смеси и контролирования мощности. В дизельном моторе топливная воздушная масса образовывается за тысячные доли секунды. В таком случае средним показателем для заполненного объёма воздуха и горючего считается коэффициент лишнего газа. Когда топливо впрыскивается, то неоднородно распространяется в камере сгорания, образуя места различной консистенции газа и горючего. Именно от этого в дизельном моторе консистенция значительно беднее. Регулировка мощности возможна непосредственно до холостых ходов.

Мощность двигателя можно изменить, если меняются составляющие консистенции. Это делается при помощи снижения или повышения горючего, которое впрыскивается за конкретный отрезок времени при одинаковой подаче воздуха. Практически это делают при передвижении рейки топливного шланга.

Коэффициент наполнения не меняется, при возрастании мощности он минимизируется из-за повышения температуры. Показатель лишнего воздуха зависит от расхода топлива.

Высокая мощность у двигателей обнаруживается при пиковом показании значения, определяющего качество всего процесса работы. Отклонение в худшую сторону характеризуется задымлением выхлопных газов, накапливается нагар, снижается экономия, температура мотора возрастает в несколько раз. Отсюда видно, что эксплуатация дизеля в пределах максимальной мощности нецелесообразна.

Задымление при различных параметрах нагрузки

В дизельных движках, имеющих неисправности, чрезмерное задымление выхлопных газов образуется из-за изменения режима скорости и нагрузки. Существуют три вида задымления по цветам:

• чёрный — масса веществ углерода, образующаяся из-за чрезмерного обогащения заряда работы. Это возникает за счёт уменьшения скорости, повышенных нагрузок и сильных форсировок;
• белый — вещества горючего, которые не успели сгореть. Обычно бывает у непрогретого мотора;
• голубой – углеводород не успевает сгорать и выходит с отработанными газами.

Задымление чаще происходит, если нагрузка не превышает пятьдесят процентов. Если переваливает за этот предел, то задымление прекращается. При проведении различных опытов было доказано, что дым голубого цвета не присутствует у дизельных двигателей с четырёхтактной фазой. В таких движках дым только чёрного цвета.

КПД

Повышение объёма горючего, попадающего в мотор, с одновременным повышением нагрузки является результатом уменьшения индикаторного КПД. Переходя к наименьшим нагрузкам от холостых оборотов, механический и индикаторный коэффициент полезного действия повышается. Если дальше повышать нагрузку — механический КПД возрастёт, а расход горючего будет уменьшаться. Если повысить впрыск горючего, то повышается мощность мотора, но экономия падает, происходит задымление выхлопных газов, движок сильно греется — это явный признак некачественной переработки топлива.

Можно ли снять нагрузку?

Следует дать движку прогреться достаточным образом, в это же время перемещается планка, которая регулирует впрыск горючего и контролирует тормоз, показания мотора выводятся на максимальные значения оборотов коленвала при выбранном режиме скорости. Итоговый режим соответствует предельной мощности при конкретных оборотах. Через небольшой отрезок времени после регулировки оборотов стоит измерить следующее:

• отработанные газы, масло, показания температуры воды;
• силу тормоза и момента вращения;
• показания оборотов коленвала;
• время затрат выбранной дозы горючего.

После всего проделанного с помощью регулирования тормоза оставляют выбранную частоту оборотов, уменьшают впрыск горючего с помощью планки топливного шланга, переходят к дальнейшему этапу и делают необходимые измерения. За счёт последовательного снижения подачи горючего и при определённом количестве оборотов образуется некоторое количество точек нагрузки. Рассчитывают оптимальную нагрузочную характеристику.

Если статья оказалась полезной, напишите нам об этом.

carextra.ru

1.2. Нагрузочная характеристика двигателя

с искровым зажиганием

Нагрузочные характеристики двигателя с искровым зажиганием существенно отличаются от аналогичных характеристик дизеля из-за иных принципов смесеобразования и регулирования подачи топлива.

С прикрытием дроссельной заслонки увеличивается относительное количество остаточных газов в цилиндре, свежего заряда поступает меньше. Вследствие этого ухудшаются условия протекания рабочего процесса, снижаются мощность и экономичность двигателя. При нагрузках болee 75% от номинальной (максимальной) может включаться экономайзер, обогащая смесь, которую подготавливает система топливоподачи. Это сопровождается ростом мощности при ухудшении экономичности, т.е. увеличивается удельный эффективный расход топлива. Если же система и топливоподачи на больших нагрузках не обогащает смесь, что имеет место у многих современных автомобильных двигателей, то наименьший удельный расход топлива наблюдается при полностью открытой дроссельной заслонке.

При изменении степени открытия дроссельной заслонки часовые расходы воздуха, топлива и коэффициент наполнения также изменяются, чем. достигается количественное регулирование мощности двигателя. Наибольшей мощности двигателя соответствует полное открытие дроссельной заслонки.

Анализ характеристики

С увеличением внешней нагрузки для сохранения постоянной частоты вращения дроссельную заслонку открывают, вследствие чего расход воздуха возрастает и коэффициент наполнения η_V увеличивается от 0,25 на режиме холостого хода до 0,85 при полной нагрузке рис. 3.3.

Коэффициент избытка воздуха α изменяется в небольших пределах: от 0,70 на холостом ходу до 0,94 на средних нагрузках и до 0,90 на полной нагрузке.

Часовой расход топливаG_T возрастает с открытием дроссельной заслонки. Характер его изменения определяется соотношением:

G_Т = А(η_V/ α),

где А — обобщенное значение не зависящих от нагрузки параметров двигателя. До средних значений нагрузки зависимость G_T= f(p_e) практически линейна. С дальнейшим увеличением нагрузки при обогащении смеси эконостатом и (или) экономайзером темп роста G_T увеличивается.

П

Рис. 3.3. Нагрузочная характеристика бензинового двигателя

оскольку при постоянной частоте вращения эффективная мощность двигателя пропорциональнар_е, то на характеристике график мощности выглядит как прямая линия.

Анализировать характер изменения удельного эффективного расхода топлива g_e от нагрузки (М_К, р_е) позволяют функциональные зависимости, связывающие между собой различные параметры двигателя:

(3.1)

где η_i;, η_е, η_м — соответственно индикаторный, эффективный и механический коэффициенты полезного действия; р_i;, р_м — соответственно среднее индикаторное давление и среднее давление механических потерь, МПа;

Н_u— низшая удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг.

На механический КПД основное влияние оказывает p_i; так как р_м от нагрузки при n=const практически не зависит. Характер зависимости η_i и η_м от нагрузки (p_е) показан на рис. 3.4. Индикаторный КПД имеет максимум на средних нагрузках, т.е. на режиме наибольшей экономичности. При меньших и больших нагрузках η_i снижается из-за неполноты сгорания топлива. Соответственно изменяются эффективный КПД η_е, а следовательно, и g_e, минимум которого у исследуемого двигателя имеет место при р_е=0,78 МПа и α = 0,93 (см. рис. 3.3) Характер изменения кривой g_e=f(р_е) свидетельствует о существенном недостатке количественного регулирования: наименьший удельный расход топлива наблюдается только в узком

Рис. 3.4. Изменение КПД двигателя с искровым зажиганием в зависимости от нагрузки

диапазоне нагрузки. На большей части нагрузочных режимов, типичных для эксплуатационных условий, удельный расход топлива g_e сравнительно высокий.

Влияние условий окружающей среды на работу двигателя

Атмосферное давление. Существенное снижение атмосферного давления (например, работа на большой высоте над уровнем моря) приводит к снижению плотности воздуха ρ_в и как следствие — уменьшению коэффициента наполнения η_V и коэффициента избытка воздуха α, что приводит к уменьшению среднего эффективного давления и снижению мощности двигателя. Уменьшение α приводит к повышению расхода топлива, так как для обеспечения необходимой мощности двигатель начинает работать на более богатых смесях.

Температура окружающего воздуха. Повышение температуры окружающей среды Т₀, как и понижение атмосферного давления приводит к снижению плотности воздуха ρ_в, уменьшению коэффициента наполнения η_V (снижению плотности свежего заряда), коэффициента избыт­ка воздуха α, но в меньшей степени.

При повышении Т₀, возрастают все характерные температуры цикла и тепловые нагрузки. Вследствие чего увеличиваются абсолютные и относительные потери теплоты в среду охлаждения. Это, а также снижение термического КПД вместе с уменьшением избытка воздуха α снижает КПД цикла, что в свою очередь приводит к снижению мощности двигателя и увеличению расхода топлива.

Современные дизельные двигатели с регулируемым турбонаддувов и бензиновые с впрыском топлива мене подвержены влиянию атмосферных условий.

Порядок выполнения работы

1. Проверить состояние установки, запустить и прогреть двигатель до температуры масла 60 ^оС.

2. Установить заданную частоту вращения без нагрузки (Мк = 0) и, сделав соответствующую выдержку для достижения стабильного значения, температуры t_Ж2, выполнить замеры следующих величин:

• частота вращения коленчатого вала — n,

• усилие на тормозе — М_К,

• часовой расход топлива — G_T( время расхода порции топлива — τ_T). Данные занести в протокол испытаний.

3 Последующие нагрузочные режимы устанавливаются увеличением открытия дроссельной заслонки; постоянство частоты вращения поддерживается тормозом(Р = 10 кгс, 20, 30, 40). После выдержки на каждом режиме проводить замеры в соответствии с п. 2. Количество опытов должно быть не менее 8. Последний режим соответствует полному открытию дроссельной заслонки.

4. Перевести двигатель на режим холостого хода и через 2…3 мин остановить его, выключив зажигание.

5 Выполнить необходимые расчеты и построить графики зависимости G_T, g_e, η_е от нагрузки.

Обработка результатов испытаний

Первичным документом для обработки данных испытаний двигателя является протокол испытаний. В протокол заносятся непосредственные замеры, а также расчетные величины.

Ниже приводятся формулы в последовательности, наиболее целесообразной для определения по опытным данным основных показателей работы двигателя.

Эффективный крутящий момент, Н м

(3.2)

где Р — усилие на рычаге тормоза, Н;

l — длина тарировочного рычага тормоза, м, определяемая от оси вала тормоза до призмы весового устройства.

Для тормоза СТЭУ-40-1000 l = 0,7162 м.

Эффективная мощность двигателя, кВт

(3.3)

где n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1;

i — передаточное отношение коробки передач;

η_П — КПД коробки передач (η_П = 0,95%).

Часовой расход топлива, кг/ч

(3.4)

где G’ — вес израсходованной порции топлива, г;

τ — время расхода порции топлива, с.

Удельный расход топлива, г/кВт ч

(3.5)

Эффективный КПД

(3.6)

где 3600- тепловой эквивалент мощности;

g_e — удельный расход топлива, г/кВт ч

H_u — низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Для бензина H_u= 44,0 МДж/кг, для дизельного топлива H_u= 42,5 МДж/кг

Погрешности измерений

При измерении какой-либо величины не представляется возможным получить абсолютно свободный от искажения результат. Причины этих искажений различны: несовершенство средств и методов измерения, непостоянство условий измерения и ряд других факторов.

Искажениями обусловлена так называемая погрешность измерения -отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. В задачу измерения всегда входит не только нахождение самой величины, но и оценка допущенной при измерении погрешности.

Погрешности измерений по способу их числового выражения разделяют на абсолютные, выраженные в единицах измеряемой величины, и относительные, выраженные в процентах или долях этой величины.

Абсолютная погрешность

ΔА = Ах — А, (3.8)

Относительная погрешность,%

(3.9)

где ΔА — абсолютная погрешность измерения;

Δ — относительная погрешность измерения;

А_Х — измеренное значение величины;

А — истинное ее значение

Относительная максимальная погрешность измерения эффективной мощности, %, определяется по формуле:

, (3.10)

где ΔN_e, Δp, Δl, и Δn —абсолютные погрешности измерений соответственно, эффективной мощности, усилия на рычаге тормоза, длинны рычаги и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Относительная максимальная погрешность измерения часового расхода топлива

(3.11)

где ΔG_T, ΔG’, и Δτ —абсолютные погрешности измерений соответственно, часового расхода топлива, веса израсходованной порции топлива и времени расхода порции топлива.

Приведение мощности двигателя к стандартным условиям

Для сравнения полученного результата с паспортными данными двигателя, результаты измерений необходимо привести к нормальным условиям в соответствии с ГОСТ 14846-81 (Т₀ = 298 ^оK, В₀ = 100 КПа)

, кВт (3.12)

где (1.13)

N₀ — мощность двигателя, приведенная к нормальным условиям, кВт;

N — мощность, полученная в результате измерений кВт;

K_Ч — поправочный коэффициент;

В₀ — атмосферное давление для нормальных условий, кПа (В₀ = 100 КПа)

В — атмосферное давление в лаборатории, КПа;

В_ВП = φ·Р_S — давление водяных паров, КПа;

φ — относительная влажность воздуха в лаборатории,%;

P_S — давление насыщенного водяного пара, кПа (определяется по номограмме. Приложения 1.).

Т₀ — температура воздуха для нормальных условий, ^оK (Т₀ = 298 ^оK)

Т— температура воздуха в лаборатории, ^оK

Содержание отчета

1. Тема работы и задание.

2. Краткое изложение методики проведения опытов.

3. Протокол испытаний.

4. Результаты подсчетов параметров работы двигателя.

5. Графики зависимости часового и удельного расхода топлива, эффективного КПД, от нагрузки двигателя.

6. Погрешность измерений мощности и расхода топлива.

7. Приведение мощности двигателя к стандартным условиям.

8. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Какой параметр характеризует нагрузку двигателя?

2. На каком режиме снимается нагрузочная характеристика?

3. Как поддерживается постоянная частота вращения на различных нагрузках двигателя?

4. Чему равна эффективная мощность двигателя Ne на холостом ходу без внешней нагрузки?

5. При какой нагрузке эффективный КПД имеет максимальное значение?

6. Как меняется эффективный КПД при увеличении нагрузки выше номинальной?

7. С какой целью снимаются нагрузочные характеристики?

8. Какое влияние оказывает атмосферное давление на мощностные и экономические показатели двигателя ( g_e, Ne)?

9. Какое влияние оказывает температура окружающей среды на процессы смесеобразования в двигателе (α, η_V)?

Приложение 1.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ

Министерство образования РФ

«_____»___________________200___г.

Пермский государственный технический университет

Кафедра «Автомобили и автомобильное хозяйство»

Характеристика двигателя__________________________________________________________________________________

Топливо _________________________________

Условия окружающей среды: атмосферное давление Р0 ___ кПа, температура воздуха t ___ 0С относительная влажность воздуха φ ___%

№№ опыта

Частота вращения генератора, мин-1

Передаточное отношение

Частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1

Показания тормоза, кгс

Крутящий момент, Н·м

Порция топлива, г

Время расхода топлива, сек.

Часовой расход топлива, кг/час

Удельный расход топлива, г/кВт ч.

Эффективная мощность, кВт

Эффективная мощность в стандартных условиях, кВт.

Эффективный КПД

5

studfiles.net

Работа дизеля по нагрузочной характеристике

Нагрузочная характеристика – зависимость параметров и показателей дизеля от нагрузки, а именно от среднего эффективного давления p_e или крутящего момента М, при постоянной частоте вращения (n=const).

По этой характеристике на судне работают дизель-генераторы или главные двигатели, вращающие гребной винт регулируемого шага при n=const.

Результаты обработанных данных испытания в графической форме показаны на рисунках 4.1; 4.2; 4.3; 4.5; 4.6; 4.7; 4.8 и 4.9.

Рисунок 4.1 Нагрузочная характеристика дизеля

 

Рисунок 4.2 Винтовая характеристика дизеля

 

 

Рисунок 4.3 Нагрузочная характеристика дизеля

 

 

Рисунок 4.4 Винтовая характеристика дизеля

 

Рисунок 4.5 Зависимость эффективной и индикаторной мощности двигателя, а так же механического КПД от нагрузки

 

 

Рисунок 4.6 Диаграмма теплового баланса дизеля при работе по нагрузочной характеристике

Рисунок 4.7 Диаграмма теплового баланса дизеля при работе по винтовой характеристике

 

 

Рисунок 4.8 Винтовая характеристика дизеля

 

Рисунок 4.9 Уровни удельного эффективного расхода топлива при работе дизеля по а –нагрузочной характеристике, б – по винтовой характеристике

Зависимость эффективной мощности от нагрузки

Из рисунка 4.1 видно, что зависимость эффективной мощности от нагрузки выражается прямой линией. Эффективная мощность p_e есть отношение работы цикла, получаемой на выходном фланце двигателя Le (иначе говоря, эффективная работа), к рабочему объему цилиндра Vs(объему описываемому цилиндром), т.е.

Следовательно, преобразовав данную формулу, получим эффективную работу от одного цикла в одном цилиндре: .

Преобразовывая далее, получим эффективную мощность многоцилиндрового цилиндра («секундную работу»):

где i – число цилиндров, z – коэффициент тактности, n – частота вращения коленвала.

Так как двигатель работал при нагрузочной характеристике и, как отмечалось выше, с постоянной частотой (n=const), то сомножители i,z, и можно заменить некоторым постоянным коэффициентом В. Тогда мы имеем:

Можно считать, что .

Получается, что эффективная мощность пропорциональна среднему эффективному давлению (т.е. нагрузке), что мы и наблюдаем на рисунке 4.1.

Так как режим работы дизеля определяется двумя независимыми переменными – нагрузочным и скоростным параметрами. Нагрузочным параметром может быть либо среднее эффективное давление p_e, либо крутящий момент М, либо показание гидротормоза Р_т. Для косвенной нагрузки могут быть использованы цикловая подача q_ц, активный ход плунжера ТНВД h_а, положение органа управления подачей топлива (положение рейки ТНВД). В качестве скоростного параметра берут частоту вращения коленчатого вала.

Известно, что мощность есть произведение крутящего момента и угловой частоты вращения, т.е. , то для двигателя, работающего при постоянной частоте (n=const, а значит ω= const), справедливо выражение или . Т.е. мощность пропорциональна нагрузке.

А это значит, что зависимость должна выражаться прямой линией.

 

Зависимость крутящего момента от среднего эффективного давления

Крутящий момент и среднее эффективное давление представляют собой нагрузочные параметры режима дизеля, т.е. эти величины жестко связаны между собой. Так же выше было доказано, что , так как , а n=const, то получаем , то очевидно . Это означает, что зависимость должна иметь вид прямой линии.

Зависимость коэффициента избытка воздуха для сгорания от нагрузки

Избыток воздуха для сгорания α определяется по формуле:

где – часовой расход воздуха на двигатель, кг/ч

— часовой расход топлива, кг/ч

– теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива среднего состава.

В результате каждого хода наполнения (насосного хода поршня) а цилиндр всасывается из атмосферы один и тот же объем воздуха. Так как испытуемый двигатель без наддува, то воздух, поступивший в цилиндр, имеет почти одну и ту же массу после каждого наполнения. Поэтому при работе дизеля по нагрузочной характеристике (при n=const) часовой расход воздуха практически постоянен, т.е. .

При снижении нагрузки уменьшится цикловая подача топлива и при n=const соответственно уменьшится часовой расход топлива . А это значит, что при снижении нагрузки коэффициент избытка воздуха для сгорания α существенно увеличивается.

 

Зависимость индикаторной мощности и механического КПД от нагрузки

Индикаторная мощность есть сумма эффективной мощности и мощности механческих потерь :

Мощность механических потерь зависит от частоты вращения коленчатого вала, поэтому при работе двигателя при нагрузочной характеристике, т.е. при n=const, можно принять . Тогда зависимость будет прямой линией, которая отстает от прямой на расстояние соответствующее так, как показано на рис. 4.5.

Механический КПД можно выразить следующим образом:

Из этого выражения следует, что со снижением нагрузки и соответствующим снижением индикаторной мощности механический КПД снижается. Следовательно, при уменьшении полезной нагрузки все большая доля энергии, вводимой в дизель с топливом, расходуется на преодоление механических потерь.

Если продолжать снижение полезной нагрузки до холостого хода, до , то при этом наступает равенство . Это означает, что в соответствии с формулой (*) в данном случае , то есть вся работа газов в цилиндре расходуется на преодоление механических потерь .Другими словами, в этом случае «дизель вращает только сам себя», не производя полезной работы. Рассмотренная ситуация отражена на рис.4.5.

Отметим, что на режиме холостого хода эффективный КПД двигателя , ввиду того что .

Характер кривой на рис.4.5 позволяет сделать вывод о том, что одной из основных причин снижения эффективного КПД двигателя по мере уменьшения его полезной нагрузки является существенное падение механического КПД.

 

Зависимость коэффициента избытка воздуха для сгорания от нагрузки

Для последующего объяснения влияния избытка воздуха для сгорания на показатели работы дизеля необходимо исследовать характер зависимости представленной на рисунке 4.3.

В соответствии с методикой обработки данных испытания дизеля коэффициент избытка воздуха для сгорания αопределяется по формуле:

где – часовой расход воздуха на двигатель, кг/ч;

– часовой расход топлива, кг/ч;

– теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива среднего состава, кг/кг.

В результате каждого насосного хода поршня (хода наполнения) в цилиндр всасывается из атмосферы один и тот же объём воздуха. Причём ввиду того, что дизель 2Ч 11/13 без наддува, воздух, поступивший цилиндр, имеет практически одну и ту же массу после каждого хода наполнения. Поэтому при работе дизеля по нагрузочной характеристике, т.е. при n=const часовой расход воздуха практический постоянен.

Очевидно, что при снижении нагрузки уменьшается цикловая подача топлива r wsp:rsidR=»00000000″><w:pgSz w:w=»12240″ w:h=»15840″/><w:pgMar w:top=»1134″ w:right=»850″ w:bottom=»1134″ w:left=»1701″ w:header=»720″ w:footer=»720″ w:gutter=»0″/><w:cols w:space=»720″/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>»> и при n=const соответственно уменьшается часовой расход топлива .

Это означает, что в соответствии с формулой (**) при снижении нагрузки коэффициент избытка воздуха для сгорания существенно увеличился.

 

Зависимость коэффициента наполнения цилиндра от нагрузки

На рисунке 4.3 зависимость представляет собой горизонтальную линию. Выше было сказано о приблизительном постоянстве часового расхода воздуха при работе по нагрузочной характеристике, но все-таки, при измерениях, несколько уменьшается.

Причина уменьшения состоит в том, что по мере увеличения нагрузки растут температуры стенок цилиндра и клапанов подвода воздуха к цилиндру. Их рост и вызывает увеличение степени подогрева поступающего в цилиндр воздуха, а следовательно, снижение его плотности. Несмотря на постоянство объема всасываемого в цилиндр воздуха, массовый заряд цилиндра уменьшается.

Уменьшение при увеличении влечет на собой снижение коэффициента наполнения в соответствии формулой, которую мы использовали при обработке данных испытания:

где i – число цилиндров, z – коэффициент тактности, n – частота вращения коленвала, ρ₀ – плотность воздуха перед двигателем.

 

Зависимость эффективного КПД двигателя и удельного эффективного расхода топлива от нагрузки

По результатам испытаний на рисунке 4.3 видно, что в диапазоне малых нагрузок при уменьшении нагрузки эффективный КПД всегда снижается.

Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива жестко связаны между собой обратной пропорциональной зависимостью , поэтому справедливы следующее утверждение: при уменьшении нагрузки (диапазон малых нагрузок) удельный эффективный расход топлива возрастает.

Основными причинами снижения эффективного КПД при уменьшении нагрузки являются:

1) Существенное падение механического КПД.

2) Значительный рост коэффициента избытка воздуха α. Так как в связи с этим подача в цилиндр черезмерно увеличенного количества воздуха снижает уровень температур подвода теплоты в цикл, следовательно, снижает термический КПД цикла , индикаторный КПД цикла и соответственно снижается эффективный КПД .

3) При существенном уменьшении нагрузки цикловая подача топлива становится настолько малой и процесс впрыскивания становится столь коротким, что давление подачи топлива не успевает вырасти до уровня, обеспечивающего надлежащее качество распыливания. Это является причиной ухудшения , а следовательно и в области малых нагрузок.

Так же существует ряд причин снижения эффективного КПД при увеличении нагрузки в области высоких нагрузок.

1) В указанной области нагрузок из-за больших цикловых подач топлива коэффициент избытка воздуха для сгорания α может оказаться недостаточным для своевременного сгорания топлива. Замедленный процесс сгорания оказывается смещенным на линию расширения. В этом случае подвод теплоты в цикл происходит поздно, при снижающейся температуре, что ухудшает , и .

2) Уменьшение коэффициента наполнения с ростом полезной нагрузки способствует ухудшению индикаторного и эффективного КПД. В области больших нагрузок уменьшение вызывает снижение коэффициента избытка воздуха для сгорания α. При возможном недостатке воздуха ухудшается качество смесеобразования. А значит может увеличится продолжительность и уменьшится полнота сгорания топлива. В этом случае снижаются и .

3) При увеличении нагрузки увеличивается цикловая подача топлива и, соответственно, увеличивается продолжительность подачи. Это так же вызывает смещение процесса сгорания на линию расширения и описанное выше ухудшение КПД , и .

Из рисунка 4.6 видно, что доля теплоты , преобразованная в работу, которая является эффективным КПД , с уменьшением нагрузки существенно снижается. Причины данного снижения были рассмотрены выше.

В статью теплового баланса ( «небаланс») входят по большей части механические потери. В основном, потери на осуществление насосных ходов поршня, на привод навешанных на двигатель насосов, газораспределительного механизма. Так же сюда входят потери теплоты в окружающую среду.

 

Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

Испытание двигателей. Скоростная характеристика бензинового двигателя. Нагрузочная характеристика дизеля, анализ

Основными показателями работы двигателя являются мощность, вращаюший момент, частота вращения, удельный расход топлива, экологические показатели. Указанные показатели определяются при испытании двигателя на стенде. Результаты испытаний представляются в виде характеристик. Различают следующие характеристики: скоростные, нагрузочные, регулировочные, регуляторные, специальные. Наибольшее применение имеют скоростные и нагрузочные характеристики.

Скоростную характеристику(рис. 5.4) снимают при постоянном положении органа управления подачей топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. По скоростной характеристике оценивают динамические качества двигателя, его технико-экономические показатели.

Рис. 5.4. Скоростная характеристика бензинового двигателя

Нагрузочную характеристику(рис. 5.5) снимают при постоянной частоте вращения в зависимости от нагрузки двигателя. По нагрузочной характеристике оценивают топливную экономичность двигателя.

Рис. 5.5. Нагрузочная характеристика двигателя

Испытательный стенд должен иметь оборудование для измерения следующих показателей: вращающего момента, частоты вращения коленчатого вала, расхода топлива. Для измерения вращающего момента двигателя применяют механические, гидравлические и электрические тормоза постоянного и переменного тока. Электрические тормоза используют не только для торможения, но и для пуска двигателя. Они нашли наибольшее применение для учебных и производственных целей.

5. Экологическая характеристика бензинового двигателя

Экологическая характеристика бензинового двигателя, как правило, снимается в зависимости от состава смеси.

Состав смесиоказывает большое влияние на токсичностьОГ. Как следует из рис. 5.6 при < 1,0, затем при > 1,05 … 1,10 в результате падения температуры сгорания образованиеNO_xуменьшается, существенно возрастает концентрацияСОиСН.ю, При этом, даже когда для двигателя в целом = 1,0, вОГсодержится некоторое количество этих токсичных компонентов, что объясняется неравномерностью состава смеси по цилиндрам, наличием зон сгорания с обогащенной смесью. При обеднении смеси выходNO_xсначала растет, что связано с увеличением концентрации в продуктах сгорания атомарного кислорода, при > 1,05… 1,1в результате падения температуры сгорания образованиеNO_xуменьшается.

Рис. 5.6. Экологическая характеристика бензинового двигателя

6. Экологическая характеристика дизеля

В дизелях с камерой сгорания в поршне дымность ОГна низких скоростных режимах возрастает в 1,5 … 2 раза по сравнению с номинальным режимом. Это объясняется тем, что при уменьшении частоты вращения ухудшается распыливание и смешение топлива с воздухом, и сажа, образующаяся в зонах камеры с переобогащенной смесью, оказывается в зонах с избытком кислорода слишком поздно, не успевая там окисляться. Поэтому подачу в диапазоне низких частот вращения необходимо ограничивать, т. е. обеспечивать соответствующее корректирование скоростных характеристик топливоподачи.

В период разгона автомобиля с дизелем, особенно если последний имеет турбонаддув, в результате кратковременного обогащения смеси значительно возрастает дымность ОГ, в то же время имеет место лишь относительно небольшое увеличение концентрацииСО,СНиNO_x.

Конструкция камеры сгорания влияет на образование СН: чем меньше отношение поверхности к объему камеры и объем камеры над вытеснителем, тем меньше образуетсяСН. На концентрациюСОиNO_xэти факторы заметного влияния не оказывают.

Рис. 5.7. Влияние нагрузки и частоты вращения на экологические показатели дизеля (верхние и нижние границы определяются способом смесеобразования и наличия наддува).

Увеличение степени сжатия вызывает рост максимальной температуры цикла и приводит к увеличению отношения поверхности камеры сгорания к ее объему. Первый фактор определяет повышение концентрации NO_xпри > 1,0, а второй – увеличение выходаСН.

В двигателях с вихревым движением заряда, создаваемым в процессе впуска, при сильном увеличении интенсивности вихря (особенно в сочетании с обеднением до смеси  = 1,4 … 1,5) могут возрастать выбросыСН.

Улучшение смесеобразования уменьшает выброс СОв области богатых смесей, но может несколько увеличить концентрациюNO_xна бедных смесях.

studfiles.net

Нагрузочные характеристики судовых двигателей

По нагрузочной характеристике работают вспомогательные двигатели, предназначенные для привода генераторов, компрессоров, насосов, а также главные двигатели на судах с электро-движением или главные двигатели, работающие на винт регулируемого шага. Определяющим условием нагрузочной характеристики является постоянство частоты вращения (n = const). Постоянство частоты вращения поддерживается автоматическим регулятором в пределах ±Зч÷5% путем изменения активного хода плунжеров топливных насосов высокого давления и соответствующего изменения цикловых подач топлива при изменении нагрузки двигателя.

В качестве показателя нагрузки двигателя может быть принята эффективная мощность Ne, момент на фланце отбора мощности Me, среднее эффективное давление Ре. Эти параметры в равной степени определяют нагрузку. Чаще всего в качестве параметра нагрузки принимается среднее эффективное давление.

Изменение энерго-экономических показателей

Характерной особенностью нагрузочной характеристики является постоянство мощности механических потерь двигателя N_M = const при n = const независимо от нагрузки (Рис. 1). Это положение установлено многочисленными исследованиями и объясняется малой зависимостью сил зрения в трущихся деталях дизеля от нагрузки при постоянной частоте вращения.

Зависимость эффективной мощности от Ре определяется равенством:

Ne = Ре (Vs n i / 0,06 m) кВт

Для конкретного дизеля можно написать:

Ne = к п Ре (№1)

где к — коэффициент пропорциональности.

Рис. 1 Изменение показателей работы дизеля по нагрузочной характеристике

Как следует из этой формулы, при n = const характеристика Ne (Pe) является прямой линией, выходящей из начала координат. Зависимость индикаторной мощности от Ре пройдет эквидистантно прямой Ne(Pe), поскольку Ni = Ne + Nм.

Механический КПД дизеля определяется равенством:

η_м = 1 — Nм / Ni

На холостом ходу (при Ре = 0) механический КПД равен 0, т.к. вся индикаторная мощность при этом идет на преодоление механических потерь двигателя: Ni = N_м. При возрастании нагрузки η_м возрастает, достигая максимума при 100% Ре.

При изменении Ре от 100% в сторону уменьшения нагрузки индикаторный КПД дизеля η_i сначала возрастает, достигая максимума у двигателей с наддувом при Ре = (20+30)% от Р_е^мax, а затем начинает уменьшаться. Такое изменение η_i обусл

sea-man.org

5)Нагрузочная характеристика дизельного двигателя

Нагрузочная хар-ка дизеля. 1.Что называется нагрузочной характеристикой дизеля?Haг хар-кой двигателя называется Зависимость расходов топлива (за часGт и единицу вырабатываемой энергий ge)о нагрузки выражаемой эффективной мощностьюNe, крутящим моментом Мк или средним эффективным давлением ре при постоянной частоте вращения.

2. Что такое качественное регулирование мощности?Регулирование мощности, изменения состав смеси.(альфа)

3. Расскажите и объясните характер изменения дымности и токсичности ОГ при увеличении нагрузки?Дымность отработавших газов растет с увеличением нагрузки в связи с ростом зон богатых топливом, в которых создаются условия для развития реакций, сопровождающихся выделением углерода. Выбросы оксидов азота растут с ростом нагрузки в связи с увеличением зон с локально высокой температурой.

4.Оптимальное сочетание каких КПД определяет минимум ge по нагрузочной характеристики?

Сочетания Механического и Индикаторного КПД определяет минимум ge.ge~1/(Индик КПД* механич КПД)

5.За счет чего изменяется мощность дизеля при снятии нагрузочной хар-ки?

За счет изменения нагрузки, создаваемой тормозом.

6. Объясните причину резкого увеличения ge при малых нагрузках?

geрезко увеличивается при малых нагрузках, из за того, что все большая и большая часть теплоты топлива тратится не на полезную работу, а на преодоление внутренних потерь в двигателе, следовательно уменьшается индикаторная мощности и механическое КПД.

6)Теплопроводность

1.Теплопроводность. Механизм теплопроводности.

Теплопроводность- это процесс теплообмена за счет движения безконечно малых структурных частиц( электронов, атомов, молекул), происходящих при контакте неодинаково нагретых тел или в неодинаково нагретых частях одного тела. Теплопроводность осуществляется за счет передачи кинетической энергии при столкновении хаотически движущихся молекул. (перенос внутренней энергииот более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам).

2.Коэффициент теплопроводности. Определение, обозначение, размерность.

Коэф. Теплопров-ти λ является физическим параметром вещесва и предстваляет тепловой поток Q(Вт), проходящий через еденицу площади пов-ти (м^2) при единичном градиенте температуры(К/м). λ=Вт/(м^2(K/м))

3. От каких факторов зависит коэф. Теплопроводности? От св-ва вещества, температуры и давления.

4.Какие величины необходимо знать для экспериментального определения коэф. Теплопроводности?

(λ=Qхln(d2/d1)/((tw1 –tw2) х 2пl)) гдеd2-наружный диаметр;d2-внутренний диаметрl-расчеткая длинна цилиндрического слоя исследуемого материала.tw1-внутренняя температура пов-ти;tw2-внешняя температура пов-ти. Мощность нагрева-Q.

5.Как на лабораторной работе определялось термическое сопротивление цилиндрической стенки?

6.Что такое стационарный режим и почему при определении коэф. Тепл-ти необходимо его достижение?

7. Закон Био-Фурье в виде формулы: зависимость теплового потока от факторов на него влияющих.

8.Градиент температуры( определение, размерность)

_{радиент} температуры— Это вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры и равный частной производной температуры по этому направлению.

studfiles.net