Меню

Характеристика двигателя постоянной мощности

Устройство автомобилей

Характеристики двигателей

Оценить мощностные и экономические возможности двигателя внутреннего сгорания при работе его в различных эксплуатационных условиях можно по техническим и технологическим характеристикам, получаемым в результате различных испытаний – стендовых, дорожных, полигонных, эксплуатационных и т. п.

Характеристикой двигателя называется зависимость основных показателей его работы (мощности, вращающего момента на выходном валу, расхода топлива) от одного из параметров режима работы (частоты вращения коленчатого вала, внешней нагрузки и т. п.). Характеристики двигателя определяют его эксплуатационные качества, уровень технического совершенства, правильность регулировок, а также его назначение.

Основные характеристики автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний»:

скоростная характеристика – зависимость основных эффективных показателей работы двигателя от частоты вращения его коленчатого вала;

коэффициент приспособляемости – способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки;

нагрузочные характеристики – зависимости удельного и часового расхода топлива от мощности, развиваемой двигателем;

характеристика холостого хода – зависимость часового расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя без нагрузки;

регулировочные характеристики – зависимость мощностных и экономических показателей работы от состава рабочей смеси, воспламеняемой в цилиндрах двигателя, угла опережения зажигания или впрыска, температуры двигателя и других регулируемых факторов.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочной характеристикой называется изменение часового и удельного расхода топлива в зависимости от величины нагрузки. Работа на режимах нагрузочной характеристики наиболее характерна для двигателей, которые используются для привода электрических агрегатов, насосов, компрессоров, тракторов. В частности, нагрузочная характеристика имитирует работу двигателя на автомобиле, при его движении с постоянной скоростью на одной из передач в условиях переменного сопротивления со стороны дороги.

Цель получения нагрузочной характеристики – определение топливной экономичности двигателя.

Условия получения нагрузочной характеристики:

  • независимая переменная величина – нагрузка на двигатель (так как с увеличением нагрузки для ее преодоления двигатель должен увеличивать мощность N е, среднее эффективное давление р е и крутящий момент М к, то нагрузку выражают в процентах относительно одного из этих параметров;
  • постоянная величина – частота вращения коленчатого вала;
  • зависимые переменные величины – удельный расход топлива g е и часовой расход топлива G t.

Скоростная характеристика

Скоростная характеристика двигателя представляет собой зависимость основных эффективных показателей его работы (эффективная мощность, вращающий момент на выходном валу, удельный и часовой расход топлива) от частоты вращения коленчатого вала при постоянной подаче топлива в цилиндры в установившемся тепловом режиме.

Различают внешнюю и частичные скоростные характеристики.
Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива (полностью открытой дроссельной заслонке или соответствующем положении рейки топливного насоса дизеля) и при углах опережения зажигания или начала впрыскивания топлива по техническим условиям на двигатель, называется внешней скоростной характеристикой двигателя.
Внешняя скоростная характеристика позволяет определить максимальные мощностные показатели двигателя и оценить его экономичность при полных нагрузках.

Характеристики, соответствующие постоянным промежуточным положениям дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, называются частичными скоростными характеристиками двигателя. Иными словами, любая характеристика, полученная при неполном открытии регулирующего органа двигателя, называется частичной скоростной характеристикой.

Скоростную характеристику реального двигателя строят по результатам стендовых испытаний.
Вал работающего двигателя нагружают с помощью тормоза, обеспечивая фиксирование частоты вращения от минимально устойчивой до максимально допустимой. При этом на каждой частоте замеряют тормозной момент М т в ( Н×м) и часовой расход топлива в кг/ч.

По результатам испытаний строят кривые зависимости эффективного вращающего момента и часового расхода топлива от частоты вращения вала двигателя.
Затем, используя формулы:

g е = GT/P е = g i/ηM
M е = 3×10 4 P е /πn

находят эффективную мощность и удельный расход топлива, после чего отображают их графические зависимости.

В зависимости от укомплектованности двигателя вспомогательными устройствами и оборудованием определяют мощность нетто (полная комплектация) или мощность брутто (неполная комплектация).
Различают следующие характерные частоты вращения коленчатого вала:

  • минимальная частота вращения, при которой возможна устойчивая работа двигателя при полной подаче топлива;
  • частота вращения, соответствующая наибольшему вращающему моменту;
  • частота вращения, соответствующая наибольшей мощности двигателя;
  • наибольшая возможная частота вращения коленчатого вала, устанавливаемая ограничителем частоты вращения.

Характеристика холостого хода является частным случаем скоростной характеристики двигателя.

Внешнюю скоростную характеристику вновь проектируемого двигателя можно построить по эмпирическим зависимостям, где максимальная мощность и соответствующие ей удельный расход топлива и частота вращения берутся из данных теплового расчета двигателя при его конструировании.

Приемистость и приспособляемость двигателя

Способность двигателя с ростом частоты вращения коленчатого вала наращивать мощность называется его приемистостью.
Приемистость двигателя непосредственно влияет на приемистость автомобиля, т. е. его способности ускоряться и разгоняться. Скоростная характеристика во многом отражает степень приемистости двигателя: чем круче кривая N е, тем приемистость двигателя больше.
Если сравнить скоростные характеристики карбюраторного двигателя и дизеля, то можно заметить, что кривая мощности N е у дизеля круче, т. е. дизель обладает большей приемистостью.

Способность двигателя с ростом внешней нагрузки сохранять частоту вращения коленчатого вала называется его приспособляемостью (самоприспособляемостью или эластичностью).
Например, затяжной подъем один из автомобилей может преодолеть без переключения КПП на пониженную передачу, а другой при таких же условиях заглохнет. Следовательно, в первом случае приспособляемость двигателя автомобиля выше, чем во втором.
Приспособляемость автомобиля к изменению внешней нагрузки оценивается коэффициентом приспособляемости (коэффициентом самоприспособляемости). Чем больше значение этого коэффициента, тем лучше приспособляемость автомобиля к увеличению внешней нагрузки.

Устойчивость режима автомобильного двигателя к увеличению внешней нагрузки оценивают по запасу крутящего момента, который определяется отношением максимального крутящего момента М кmax к крутящему моменту М кном, развиваемому двигателем на номинальном режиме; это отношение и называют коэффициентом приспособляемости k.

Читайте также:  Формула мощности электродвигателя переменного тока

Коэффициент приспособляемости k, характеризующий приспособляемость двигателя к изменению внешней нагрузки, может быть определен по формуле:

В бензиновых двигателях средний коэффициент приспособляемости k = 1,25. 1,35, в дизельных k = 1,05. 1,2.
Поскольку коэффициент приспособляемости характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки без переключения передач, можно сделать вывод, что дизельные двигатели переносят изменение внешней нагрузки хуже, чем карбюраторные. Чтобы преодолеть этот недостаток дизелей увеличивают размеры цилиндров, что приводит к увеличению крутящего момента, а также применяют всережимные регуляторы частоты вращения коленчатого вала.

Источник



способ работы тракторного дизеля постоянной мощности

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с режимом постоянной мощности. Способ работы тракторного ДВС постоянной мощности заключается в отключении турбокомпрессора при работе на регуляторной ветви характеристики и регулирования уровня мощности давления наддува и подачи топлива по заданному закону на корректорном участке характеристики. Регулирование уровня мощности осуществляют изменением давления наддува и подачи топлива. При определении требуемого уровня мощности измеряют момент сопротивления и сравнивают сначала с максимальным, а затем с минимальным крутящим моментом на корректорной ветви данного уровня режима постоянной мощности. Если измеренное значение больше максимального крутящего момента, то увеличивают уровень мощности до значения, при котором измеренное значение равно максимальному крутящему моменту для данного уровня мощности. Если измеренное значение меньше минимального крутящего момента, то уменьшают уровень мощности до значений, при которых измеренное значение становится равным минимальному крутящему моменту для данного уровня мощности. Технический результат заключается в согласовании режима работы ДВС с уровнем внешней нагрузки. 2 ил.

способ работы тракторного дизеля постоянной мощности, патент № 2458238 способ работы тракторного дизеля постоянной мощности, патент № 2458238

Формула изобретения

Способ работы тракторного дизеля постоянной мощности путем полного или частичного отключения турбокомпрессора при работе на регуляторной ветви характеристики, регулирования давления наддува и подачи топлива по заданному закону на корректорном участке характеристики, измерения момента сопротивления, отличающийся тем, что измеренное значение момента сопротивления сравнивают сначала с максимальным, а затем с минимальным крутящим моментом на корректорной ветви данного уровня режима постоянной мощности и, если измеренное значение крутящего момента больше максимального крутящего момента на данном уровне режима постоянной мощности, то увеличивают уровень мощности до значения, при котором измеренное значение равно максимальному, если измеренное значение нагрузки меньше минимального крутящего момента на данном уровне режима постоянной мощности, то уменьшают уровень мощности до значений, при которых измеренное значение становится равным минимальному для данного уровня мощности.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно двигателестроениию, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с режимом постоянной мощности.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, при котором двигатель имеет на корректорном участке характеристики постоянную мощность в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала и, соответственно, высокий запас крутящего момента — двигатели постоянной мощности (Тракторные моторно-трансмиссионные установки с двигателями постоянной мощности. С.И.Дорменев, А.П.Банник, И.А.Коваль, Ю.Б.Моргулис. — М.: Машиностроение, 1987). Такой режим достигается применением регулируемого или переразмеренного турбокомпрессора и специального корректора цикловой подачи топлива. Это позволяет повысить экономичность и производительность трактора за счет более полного использования мощности двигателя на энергоемких работах при больших колебаниях внешней нагрузки.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является способ работы тракторного дизеля с турбонаддувом (Патент № 1802186 РФ, кл. F02B 37/12, 1993), при котором при малых значениях момента сопротивления осуществляют работу на регуляторной ветви характеристики с выключенным турбокомпрессором, а при увеличении момента сопротивления обеспечивают работу на корректорной ветви по характеристике постоянной мощности. При этом в зависимости от величины момента сопротивления осуществляют работу двигателя на первом или втором уровне мощности.

Недостатком известных технических решений является то, что в первом случае один, а во втором случае два уровня мощности двигателя задаются заранее исходя из назначения двигателя и наиболее часто встречающегося уровня внешней нагрузки. При этом преимущества известных способов работы двигателя постоянной мощности проявляются лишь в том случае, когда затраты мощности на работу машинно-тракторного агрегата равны мощности двигателя на корректорном участке характеристики первого или второго уровней мощности. Однако, учитывая огромное многообразие выполняемых тракторных работ и, следовательно, многообразие уровней внешней нагрузки, а также возможное изменение уровня внешней нагрузки в процессе работы, например, по мере высева семян и уменьшения массы агрегата, в большинстве случаев невозможно скомплектовать машинно-тракторный агрегат и выбрать рабочую передачу таким образом, чтобы обеспечить работу двигателя в режиме постоянной мощности на первом или втором уровне. В связи с этим большую часть времени двигатель работает на регуляторной ветви характеристики или попеременно на регуляторной и корректорной ветви.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и топливной экономичности двигателя путем согласования режима его работы с уровнем внешней нагрузки.

Указанная задача в предлагаемом способе решается тем, что при работе двигателя измеряют момент сопротивления, сравнивают его с максимальным, а затем с минимальным значением для корректорного участка характеристики данного уровня мощности, и если измеренное значение момента сопротивления больше максимального или меньше минимального, то соответственно увеличивают или уменьшают уровень мощности двигателя.

На фигуре 1 представлена характеристика двигателя постоянной мощности, работающего по предлагаемому способу.

На фигуре 2 приведена принципиальная схема устройства для осуществления этого способа.

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительной регулировкой топливной аппаратуры исходя из назначения двигателя, конструктивных особенностей двигателя и системы турбонаддува задаются нижний (линия B min C min ) и верхний (B max C max ) пределы режимов постоянной мощности, а также значения коэффициента запаса крутящего момента на каждом уровне мощности. Значения коэффициента запаса крутящего момента выбираются таким образом, чтобы обеспечить переход с минимального на максимальный уровень мощности при резком увеличении нагрузки и исключить снижение частоты вращения коленчатого вала ниже минимально допустимого значения. При работе двигателя на холостом ходу и малых нагрузках устанавливают нижний предел режима постоянной мощности, а турбокомпрессор выключают. При этом двигатель работает на регуляторной ветви характеристики. При увеличении момента сопротивления выше минимального значения крутящего момента для нижнего уровня режима постоянной мощности (точка B min ) турбокомпрессор включают в работу и регулируют давление наддува по заданному закону (чаще всего поддерживают давление наддува на постоянном уровне). При дальнейшем увеличении момента сопротивления осуществляют работу двигателя на корректорном участке характеристики, соответствующем нижнему пределу режима постоянной мощности (линия B min C min ) при среднем значении крутящего момента Мк ср min . В процессе работы измеряют величину момента сопротивления (например, по частоте вращения коленчатого вала), и если измеренное значение момента сопротивления превысит максимальное значение крутящего момента двигателя для данного уровня мощности (частота вращения коленчатого вала достигает минимального значения и продолжает снижаться), то осуществляют переход на следующий, более высокий, уровень мощности (точка C 1 ), которому соответствует среднее значение крутящего момента Мк ср1 . При этом уровень мощности увеличивают до тех пор, пока момент сопротивления внешней нагрузки не станет равным максимальному крутящему моменту для данного уровня мощности. При дальнейшем увеличении нагрузки на двигатель процесс повторяется. При снижении момента сопротивления осуществляют работу двигателя по корректорной ветви характеристики и сравнивают действительное значение момента сопротивления с минимальным значением крутящего момента для данного уровня мощности (точка B 2 ). Если действительное значение момента сопротивления станет меньше минимального значения крутящего момента для данного уровня мощности, то осуществляют переход на следующий, более низкий, уровень мощности (точка B 1 ). Переходный процесс завершается, когда значение момента сопротивления внешней нагрузки станет равным минимальному значению крутящего момента для выбранного уровня мощности. При дальнейшем снижении нагрузки процесс повторяют. Если же нагрузка начинает возрастать, то двигатель переходит на корректорную ветвь характеристики и работает как серийный двигатель постоянной мощности до достижения режима максимального крутящего момента на данном уровне мощности. Таким образом, автоматически устанавливают такой уровень мощности, при котором среднее значение момента сопротивления внешней нагрузки примерно равно среднему значению крутящего момента двигателя на корректорной ветви характеристики, а при значительных изменениях нагрузки, вызывающих переход с одного уровня мощности на другой, это равенство автоматически восстанавливается. Для уменьшения времени работы двигателя на переходных режимах и учитывая, что колебания внешней нагрузки в подавляющем большинстве случаев подчиняются закону нормального распределения, при разработке конструкции корректора топливоподачи выбирают такое значение коэффициента запаса крутящего момента, при котором диапазон изменения крутящего момента двигателя на корректорной ветви характеристики будет несколько больше, чем возможный диапазон изменения момента сопротивления. В этом случае двигатель самонастраивается на такой уровень номинальной мощности, при котором среднее значение момента сопротивления равно среднему значению крутящего момента двигателя, а колебания внешней нагрузки преодолеваются за счет изменения величины крутящего момента при работе двигателя на корректоре в режиме постоянной мощности. Иными словами, независимо от абсолютной величины внешней нагрузки двигатель подавляющую часть времени работает как серийный двигатель постоянной мощности при полной загрузке на данном уровне мощности. В результате этого в максимальной степени используются преимущества двигателя постоянной мощности с точки зрения экономичности и производительности при выполнении практически любых операций. Немаловажно и то, что для осуществления предлагаемого способа не требуется каких-либо существенных изменений в конструкции двигателя и при необходимости (например, на транспортных работах) путем отключения автоматического регулятора уровня мощности можно осуществлять его работу, как у серийного двигателя.

Читайте также:  Напольный кондиционер мощность 5 квт

Устройство для осуществления предлагаемого способа работы двигателя включает в себя двигатель 1, турбокомпрессор 2, впускной коллектор (не показан), подключенный к турбокомпрессору 2 и объединяющий цилиндры двигателя 1, выпускной коллектор (не показан), подключенный к турбине турбокомпрессора 2 через газораспределительный орган 3, выполненный в виде отдельного конструктивного элемента или встроенный в турбину, исполнительный механизм 4 (выполненный, например, в виде гидро-, пневмоцилиндра, электромагнита), управляющий газораспределительным органом 3, датчики 5 нагрузки двигателя, 6 частоты вращения коленчатого вала двигателя, электронный блок 7 управления режимами работы двигателя 1 и турбокомпрессора 2, топливный насос 8 высокого давления с пневмокорректором 9 и исполнительным механизмом 10 для регулирования уровня номинальной мощности двигателя 1, выполненный, например, в виде электродвигателя, гидро-, пневмоцилиндра.

Устройство работает следующим образом.

При запуске двигателя 1 и работе на холостом ходу и малых нагрузках по сигналам с датчиков 5 нагрузки и 6 частоты вращения электронный блок 7 управления выдает на исполнительные механизмы 4 и 10 управляющие сигналы, которые соответственно выключают турбокомпрессор 2 путем перепуска части отработавших газов через газораспределительный орган 3 мимо турбины в атмосферу и устанавливают упор ограничителя подачи топлива топливного насоса 8 в крайнее положение, соответствующее нижнему пределу режима постоянной мощности, заданному предварительной регулировкой топливного насоса 8. Одновременно при работе двигателя 1 на регуляторе пневмокорректор 9 ограничивает подачу топлива в зависимости от давления наддува. При возрастании момента сопротивления внешней нагрузки выше минимального значения крутящего момента на нижнем пределе режима постоянной мощности по сигналам с датчиков 5 нагрузки и 6 частоты вращения коленчатого вала электронный блок 7 управления формирует управляющий сигнал на исполнительный механизм 4 газораспределительного органа 3, который включает турбокомпрессор 2. При дальнейшем увеличении момента сопротивления осуществляют работу двигателя 1 на корректорном участке по характеристике постоянной мощности. Если значение момента сопротивления внешней нагрузки, измеренное с помощью датчика 5, превысит значение максимального крутящего момента на нижнем пределе режима постоянной мощности, электронный блок 7 управления сформирует сигнал на исполнительный механизм 10 топливного насоса 8, который будет перемещать упор ограничителя подачи топлива в сторону увеличения уровня мощности до тех пор, пока значение максимального крутящего момента на одном из уровней не станет равным моменту сопротивления. При дальнейшем увеличении момента сопротивления процесс повторяется. В случае уменьшения момента сопротивления двигатель работает как серийный двигатель постоянной мощности на выбранном уровне. При снижении момента сопротивления ниже минимального значения крутящего момента на данном уровне мощности по сигналу с датчика 5 загрузки электронный блок 7 управления с помощью исполнительного механизма 10 будет перемещать упор ограничителя подачи топлива в сторону уменьшения уровня мощности до тех пор, пока значение момента сопротивления станет равным минимальному значению крутящего момента двигателя 1 на одном из уровней мощности. Далее процесс повторяется.

Читайте также:  Мощность электродвигателя для винтового дровокола

Таким образом, предлагаемый способ работы двигателя постоянной мощности позволяет повысить экономичность и производительность трактора путем согласования режимов работы двигателя с уровнем внешней нагрузки и повышения эффективности использования режима постоянной мощности.

Официальная публикация
патента РФ № 2458238

patent-2458238.pdf

Источник

Характеристики двигателя

В двигателе внутреннего сгорания выделяющиеся при сгорании топлива газы давят на поршень, и через преобразующий механизм выполняют механическую работу по вращению коленчатого вала двигателя. Затем эта работа используется для вращения ведущих колес автомобиля. Любой двигатель обладает определенной мощностью и крутящим моментом. Большинство людей при оценке автомобиля в первую очередь обращают внимание на мощность его двигателя и не очень интересуются крутящим моментом, хотя его значение существенно влияет на поведение автомобиля на дороге. Крутящий момент на вале двигателя представляет собой произведение величин силы и длины плеча ее действия.
Современной единицей измерения крутящего момента является ньютонометр (Н•м). Крутящий момент, создаваемый двигателем, зависит от рабочего давления внутри цилиндра двигателя, площади поршня, радиуса кривошипа коленчатого вала и ряда других параметров. Поскольку время воздействия давления газов на поршень изменяется при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя, крутящий момент также изменяется. Если умножить величину крутящего момента, соответствующую определенной частоте вращения вала двигателя, на его угловую скорость, получим значение мощности двигателя, развиваемой при этой скорости. Начиная с XVIII в., единицей измерения мощности была лошадиная сила. Современной международной единицей измерения мощности является киловатт(кВт). При этом лошадиную силу (л. с. ) довольно часто продолжают указывать в технических характеристиках автомобильных двигателей. Для того, чтобы перевести мощность, указанную в киловаттах, в лошадиные силы, нужно умножить ее значение на 1, 34.

Характеристики двигателя 1.jpg

Внешняя скоростная характеристика ДВС:
Ne — эффективная мощность;
Me — эффективный крутящий момент;
Mmax — максимальный крутящий момент;
Nmax — максимальная мощность;
МN — крутящий момент, соответствующий максимальной мощности;
ω — угловая скорость вала двигателя

Профессиональные автомобилисты для оценки работы двигателя используют скоростные характеристики, которые представляют собой зависимость крутящего момента двигателя и его мощности от угловой скорости или частоты вращения его вала, они называются «скоростные характеристики двигателя». Скоростные характеристики реальных двигателей получают при их испытаниях на специальных стендах. Очевидно, что значения показателей двигателя будут зависеть от количества поступающего в двигатель топлива, то есть от положения педали «газа». Зависимость скорости автомобиля, полученная при максимальной подаче топлива в цилиндры двигателя, называется «внешней скоростной характеристикой» (ВСХ).
На графике скоростной характеристики отмечаются минимальные и максимальные обороты коленчатого вала двигателя. Как можно заметить из приведенной скоростной характеристики ДВС, крутящий момент достигает своего максимального значения при средних оборотах вала, а затем, при дальнейшем увеличении частоты вращения, снижается. Хорошо это или плохо? Давайте представим себе автомобиль, который движется по ровной горизонтальной дороге с максимальной скоростью, а его двигатель имеет такую кривую изменения крутящего момента. Максимальная скорость наступает при оборотах двигателя, близких к наибольшим, когда сила, приложенная к ведущим колесам автомобиля и соответствующая крутящему моменту двигателя при этих оборотах, увеличенному с помощью трансмиссии, уравняется с силами сопротивления движению, действующими на автомобиль. Если на дороге перед этим автомобилем возникнет даже небольшой подъем, сила сопротивления увеличится, а обороты двигателя уменьшатся. Что же произойдет при этом с крутящим моментом двигателя?
Из скоростной характеристики можно заметить, что уменьшение оборотов двигателя приведет к небольшому увеличению крутящего момента. Если подъем на дороге не очень велик, то этого увеличения крутящего момента, подводимого к ведущим колесам, может хватить для его преодоления без перехода на более низкую передачу в трансмиссии автомобиля. Другими словами, двигатель с падающей характеристикой крутящего момента хорошо приспосабливается к увеличению сопротивления движению автомобиля. Причем, чем круче опускается кривая момента на скоростной характеристике при увеличении угловой скорости вращения вала двигателя, тем лучшей приспосабливаемостью он обладает.
Электрический двигатель имеет максимальное значение крутящего момента при минимальных оборотах, и при их увеличении крутящий момент постоянно снижается. Поэтому у электромобиля трансмиссия значительно упрощается — ему не нужна коробка передач. Любой автомобильный двигатель представляет собой совокупность механизмов и систем. Основными механизмами четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания являются кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и газораспределительный механизм (ГРМ).

Источник