Внешние характеристики дизеля

Внешней характеристикой дизеля называется зависимость показателей его работы от частоты вращения при неизменном положении топливной рейки (или неизменном активном ходе плунжера ТНВД). По внешней характеристике работают главные судовые и транспортные дизели, оснащенные предельными регуляторами частоты вращения, у которых изменяется нагрузка (к примеру, увеличивается сопротивление движению судна из- за шторма или встречного ветра). Как правило, современные главные двигатели с электронными регуляторами в режиме «ограничение по топливу» также работают по внешней характеристике. Дизель-генераторы могут работать но внешней характеристике, когда нагрузка превышает предел, при котором топливная рейка доходит до упора.

В зависимости от величины активного хода плунжера различают следующие внешние характеристики: предельной мощности (активный ход — максимальный), номинальную (активный ход hа соответствует 100%-ной цикловой подаче на номинальном режиме), эксплуатационную (hа = 85-95% от номинального значения) и частичные внешние характеристики (hа менее 85-95%). За 100% hа принимается такой активный ход и такое положение топливной рейки, когда двигатель в нормальных условиях и при заводской регулировке развивает номинальную мощность при номинальной частоте вращения.

Закономерности изменения показателей дизеля на каждой из внешних характеристик примерно одинаковы. Поэтому для выяснения этих закономерностей достаточно рассмотреть номинальную внешнюю характеристику.

Изменение энерго-экономических показателей

Изменение энерго-экономических параметров, характеризующих работу дизеля на внешней характеристике, зависит главным образом от 2-х факторов: изменения цикловой подачи gц (или коэффициента подачи ηп) и коэффициента избытка воздуха на сгорание α при изменении частоты вращения и T.P.=const.

У большей части двигателей, работающих по внешней характеристике, цикловая подача топлива и коэффициент подачи возрастают при снижении частоты вращения. Это объясняется улучшением наполнения насоса и уменьшением потерь топлива при отсечке топливоподачи в ТНВД. Лишь у двигателей, имеющих ТНВД с регулированием по началу подачи, следует ожидать уменьшение цикловой подачи при снижении оборотов. Подробно об этом будет сказано при рассмотрении характеристик топливоподачи.

Изменение α определяется зависимостью:

α = (Vs ηн γs) / (fпл hа ηп γт Lо) = Kан γs / hа ηп)

  • где Vs — рабочий объем цилиндра;
  • ηн — коэффициент наполнения;
  • γs — удельный вес воздуха;
  • fпл — площадь плунжера ТНВД;
  • hа — активный ход;
  • ηп — коэффициент подачи;
  • γт — удельный вес топлива;
  • Lо — теоретически необходимое количество воздуха на сгорание 1 кг топлива;
  • Ка — коэффициент пропорциональности.

Для 4-тактных двигателей без наддува удельный вес воздуха не изменяется на всех режимах: γs = γо = const, величина α определяется соотношением: α = f(ηн / ηп). Это соотношение незначительно уменьшается при снижении частоты вращения. Улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом из-за уменьшения гидравлического сопротивления клапанов компенсируется некоторым увеличением коэффициента подачи. Поэтому для 4-тактных двигателей без наддува может быть принято α ≈ const. Следовательно, может быть принят постоянным при работе по внешней характеристике и индикаторный кпд, который, прежде всего, определяется величиной α: ηi ≈ const.

Для двигателей с наддувом (как 2-х, так и 4-тактных) с уменьшением частоты вращения снижается давление наддува, следовательно, и плотность воздуха γs. Совместно с одно-временным увеличением цикловой подачи это приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха на сгорание (рис. №1). При этом снижается индикаторный кпд двигателя (тем в большей степени, чем больше увеличивается коэффициент подачи и снижается плотность воздушного заряда).

Наиболее благоприятной характеристикой, обеспечивающей минимальное падение плотности воздушного заряда при механическом наддуве, обладают поршневые компрессоры, затем следуют роторные и центробежные. В свою очередь, газотурбинный наддув при снижении оборотов обеспечивает более пологое изменение расхода воздуха, чем механический наддув, за счет ухудшения индикаторного процесса в цилиндре и некоторого увеличения при этом располагаемой работы газа перед турбиной. Поэтому при газотурбинном наддуве падение индикаторного кпд менее значительно, чем при механическом наддуве.

Зависимость среднего индикаторного давления от частоты вращения может быть установлена из выражения;

Pi = Kpi hа ηп ηi

  • где Kpi — коэффициент пропорциональности;
  • ηi — индикаторный кпд.
Рис. 1 Характер изменения энерго-экономических показателей дизеля при работе по внешней характеристике

Для 4-тактных двигателей без наддува, когда может быть принято равенство: ηi ≈ const, — Pi определяется только изменением цикловой подачи топлива gц (или коэффициента подачи ηп). Для большинства дизелей коэффициент подачи растет при снижении оборотов. Следовательно, растет и среднее индикаторное давление.

Аналогично для двигателей сгазотурбинным наддувом даже при некотором снижении экономичности индикаторного процесса при снижении оборотов по внешней характеристике среднее индикаторное давление растет, поскольку растет цикловая подача топлива. Падение среднего индикаторного давления при уменьшении оборотов по внешней характеристике возможно лишь для дизелей с высоким наддувом из-за значительного снижения ηi, которое не компенсируется увеличением цикловой подачи.

Зависимость индикаторной мощности Ni(n) может быть записана в виде:

Ni = KN Pi n

  • где KN — коэффициент пропорциональности;
  • n — частота вращения.

Эта характеристика теоретически идет из начала координат. Мощность возрастает при увеличении частоты вращения, однако при приближении к номинальным оборотам рост Ni замедляется из-за снижения Pi (рис. №1).

Зависимость эффективной мощности от частоты вращения может быть записана как:

Nе = KN Pi n ηм, (№4)

где ηм — механический кпд.

Кривая Nе(n) пойдет ниже кривой индикаторной мощности, поскольку механический кпд меньше 1. Механический кпд с уменьшением частоты вращения растет, так как мощность механических потерь Nм снижается более интенсивно, чем происходит уменьшение Ni. Изменение Nм подчиняется криволинейному закону:

Nм = A nβ, (№5)

где А — коэффициент пропорциональности;
β — показатель степени (β >1).

Если предположить, что при снижении частоты вращения Pi остается неизменным, то индикаторная мощность будет снижаться пропорционально частоте вращения, т.е. ее снижение будет менее интенсивным по сравнению с Nм. Возрастание Pi при снижении оборотов дополнительно снижает интенсивность уменьшения Ni. Вот почему ηм растет при снижении оборотов.

Влияние характера изменения ηм проявляется и в характере кривых Ре(n) и ηе(n) (рис. №1).

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

Сентябрь, 30, 2016 987 0
Читайте также