Нагрузочные характеристики двигателей внутреннего сгорания

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 NM = 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:

ηм = 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 = Nм. При возрастании нагрузки ηм возрастает, достигая максимума при 100% Ре.

При изменении Ре от 100% в сторону уменьшения нагрузки индикаторный КПД дизеля ηi сначала возрастает, достигая максимума у двигателей с наддувом при Ре = (20+30)% от Ремax, а затем начинает уменьшаться. Такое изменение ηi обуславливается изменением 2-х факторов. С уменьшением нагрузки уменьшается цикловая подача топлива в цилиндр, возрастает коэффициент избытка воздуха на сгорание.

Увеличение а приводит к росту скорости и полноты сгорания топлива, сгорание смещается в сторону верхней мертвой точки, что способствует снижению тепловых потерь двигателя ( в первую очередь потерь с уходящими газами). Однако по мере снижения цикловой подачи топлива избыток воздуха становится чрезмерным (α = 4÷5 и более), уменьшается температура цикла и температура стенок.

Из-за малых цикловых подач ухудшается распыливание топлива, смесеобразование и сгорание. При этом возрастает период задержки самовоспламенения τi,. Процесс сгорания переходит на линию расширения (рис. №2), растет доля тепла с уходящими газами (по сравнению с полезно используемым теплом). Индикаторный КПД уменьшается, достигая на режиме холостого хода величин, близких к значениям ηi на полной нагрузке. Более раннее и более интенсивное снижение ηi, наблюдается у двигателей с регулированием ТНВД по началу подачи, что связанно с худшим распыливанием топлива и уменьшением угла опережения подачи топлива (вплоть до смещения угла φнпн за ВМТ) при снижении нагрузки двигателя.

Рис. 2 Вид развернутой индикаторной диаграммы при полной нагрузке (Ре=100%) и на холостом ходу (Ре=0)

У двигателей без наддува или с механическим нагнетателем расход воздуха на двигатель практически не зависит от нагрузки, что способствует более интенсивному возрастанию α при уменьшении Ре, чем в двигателях с газотурбинным наддувом. Следовательно, у этих двигателей максимум гр достигается при более высоких Ре, а индикаторный КПД на холостом ходу у двигателей без наддува при прочих равных условиях меньше, чем ηi у двигателей с ГТН.

Эффективный КПД двигателя определяется совместным влиянием индикаторного и механического КПД: ηе = ηi ηм. При возрастании нагрузки от режима холостого хода ηе растет подобно росту механического КПД, достигая максимума вблизи номинальной нагрузки. Последующее снижение ηе является результатом ухудшения индикаторного процесса из-за снижения α и уменьшения индикаторного КПД. Обычно максимальное значение эффективного КПД достигается при Ре ≈ 0,85 Ре ном.

Удельные расходы топлива связаны с КПД зависимостями:

gi = 3600 / ηi Qн = Kg 1 / ηi;
gе = 3600 / ηе Qн = Kg 1 / ηе.

Как видно, удельные расходы топлива изменяются по зависимостям, обратно пропорциональным изменению соответствующих КПД.

Практически эффективные показатели работы двигателя могут быть определены в условиях испытательного стенда путем измерения эффективной мощности Ne (но показаниям нагрузочного устройства) и часового расхода топлива на установившихся режимах работы. Индикаторные показатели могут быть найдены по результатам индицирования или осциллографирования двигателя (определяется среднее индикаторное давление, индикаторная мощность и т.д.). Мощность механических потерь и механический КПД находятся из соотношения эффективных и индикаторных показателей.

В том случае, если индикаторные показатели работы двигателя прямо определить невозможно (к примеру, в судовых условиях, где дизель — генераторы обычно не имеют индикаторного привода для снятия индикаторных диаграмм), индикаторная мощность и прочие индикаторные показатели определяются ориентировочно через механический КПД:

Ni = Ne / ηм.

Механический КПД находится по соотношению расходов топлива на двигатель на холостом ходу и на режиме номинальной нагрузки. При этом делается допущение, что индикаторный КПД дизеля на холостом ходу такой же, как и на режиме номинальной нагрузки: ηix.x ≈ η. В этом случае можно написать:

ηм = 1 — Nм / Ni = 1 — (Nм / Ni) (η / ηix.x) = 1 — (Nм / Ni) (gix.x / g)

На холостом ходу мощность механических потерь равна индикаторной мощности: Nм= Ni, а часовой расход топлива равен Gx.x = Nм gix.x. Соответственно на режиме номинальной нагрузки часовой расход топлива составит: Gн = Ni g. Подставив полученные значения величин в приведенную выше зависимость для ηм, получим для режима номинальной нагрузки:

ηм ≈ 1 — Gx.x / Gн (№2)

Погрешность определения индикаторных показателей с помощью этой зависимости оценивается погрешностью допущения равенства индикаторного КПД на холостом ходу и на номинальной нагрузке.

По нагрузочной характеристики ge = f(Ре) в условиях стенда может быть в первом приближении установлена номинальная мощность двигателя. Для этого по результатам стендовых испытаний при расчетной частоте вращения из точки О (рис. №3) проводится касательная к кривой ge = f(Ре). Вправо от точки касания расход топлива увеличивается более интенсивно, чем возрастает среднее эффективное давление, интенсивно растет температура цилиндро-поршневой группы. Как правило, точка Е определяет предельно допустимые значения среднего эффективного давления, мощности, цикловой подачи топлива. Дальнейшее повышение цикловой подачи должно быть ограничено упором. Номинальное значение мощности целесообразно установить левее точки Е, где Ре меньше на 10%. Окончательно режим номинальной мощности и численное значение номинальной нагрузки устанавливается в результате тщательного анализа всех энерго-экономических и других показателей работы дизеля (главным образом показателей тепловой напряженности).

Рис. 3 Определение номинальной мощности дизеля

Смотрите также:
б) Изменение механической напряженности
в) Изменение тепловой напряженности

Сентябрь, 27, 2016 1401 0
Читайте также