Двигатель внутреннего сгорания работает на установившемся режиме

• Содержание:
• Автоматическое регулирование ДВС

• Автоматическое регулирование ДВС

• В зависимости от условий эксплуатации к двигателю внутреннего сгорания предъявляются различные требования. Поэтому в установившемся режиме при любой нагрузке постоянство скоростного режима LK (рис.5.20) должно поддерживаться точно или в пределах диапазона неоднородности Li (затенение). К!^ Ф. /-/ метр / Г 。 1. к г г У Ч. Л5 ^ Рисунок 5.20. Условия получения стационарного режима: I-1В-потребительские характеристики. / — Экстерьер является особенностью двигателя.

Частичные характеристики двигателя 2-4. 5-7-регуляторные характеристики Для судовых двигателей установившийся режим работы основан на характеристиках винта ( / / / , IV и др.). (режим холостого хода) до внешних характеристик I. В процессе эксплуатации происходит изменение нагрузки (переход от характеристики III к характеристике IV и др.) или заданного скоростного режима часто приводит к нарушению стационарных (равновесных) режимах работы двигателя.

Высокоскоростные двигатели часто должны работать в полном диапазоне скоростных режимов от n до nWK и от нуля. Людмила Фирмаль

В этом случае регулируемый параметр (скорость) отклоняется от заданного значения (точка ЛФ, не я).Для восстановления режима работы, контроль действий над элементами управления двигателем(ТНВД или дроссельной железнодорожный).

Например, при переключении на частичную характеристику 2 режим с характеристиками потребителя IV устанавливается в точку Е, а скоростной режим остается на заданном уровне. Управление двигателем может быть ручным или автоматическим.

Необходимость установки автоматического регулятора зависит от типа двигателя. Хук. Поскольку карбюраторный двигатель имеет очень стабильный режим работы, то автоматическое регулирование скорости практически отсутствует, а здесь используется ручное управление.

Напротив, работа дизельного двигателя должна регулироваться автоматически, в зависимости от условий эксплуатации. Каждый автоматический переключатель pci имеет чувствительные элементы, предназначенные для измерения ретушированных параметров (скорость, температура охлаждающей жидкости и др.

) и влияют на регулируемые объекты.

Когда чувствительные элементы непосредственно подключены к управлению двигателем, такие регуляторы называются регуляторами прямого действия.

В зависимости от типа сенсорного элемента, автоматический контроллер двигателя может быть механическим, пневматическим, i-равным или однорежимным, двухрежимным и всережимным.

Как правило, в дизельном двигателе для автомобилей устанавливаются автоматические регуляторы прямого действия. Например, дизельный двигатель типа 16 15/18 оснащен всережимным механическим регулятором с изменяемым запасом хода пружины (рис. 5.21).

Усилие подшипника, создаваемое вращательной нагрузкой 5, передается на пружину к через муфту 6 и рычаг 7, и она работает под напряжением.

Другой конец пружины соединен с рычагом / управлением, и вращение рычага / управления изменяет предварительную деформацию пружины K) и, таким образом, скорость установки двигателя. Нормативные характеристики 5-7 (см. фиг.5.

20) зависят от условий, при которых несущая способность груза 5 (см. фиг. 5.21) превышает усилие пружины. Каждая регулирующая характеристика соответствует определенному положению рычага / регулятора.

Если рычаг / регулятор заблокирован в одном положении для характеристики производительности PCI 5 (см. Рисунок 5.20）、 Рисунок 5.21.

Дополнительный механический регулятор с дизельным двигателем 64 15/18： / — Рычаг управления: 2-кулачковый ролик топливного насоса; 3-траверса; 4-коническая пластина; 5-груз; 6-муфта; 7-регулировочный рычаг:6-регулировочный винт pci. 9-пружинная опора.

HI-регулировочная пружина; 11-в наличии; / 2-направляющая топливного насоса После этого регулятор будет находиться в одиночном режиме mode.

To создайте двухрежимный регулятор, работающий только в режимах наименьшей и номинальной скорости, установите на регулятор 2 последовательные пружины. Каждая пружина выполняет свое предварительное преобразование, соответствующее заданному режиму.

Процесс автоматического регулирования частоты вращения двигателя может осуществляться путем измерения других параметров, значения которых определяются скоростью вращения коленчатого вала.

К таким параметрам относятся разрежение во впускном коллекторе двигателя или давление топлива (масла) после дожимного насоса.

На этой основе были созданы пневматические и гидравлические регуляторы. Замкнутая полость регулятора общего давления сжатого воздуха, которая изолирована от внешней среды диафрагмой 14 (фиг.5.22), и вакуумная трубка 9 соединены с впускным патрубком двигателя.

Одна диафрагма находится над пружиной 18, а другая соединена с направляющей топливного насоса 12.

As частота вращения коленчатого вала впускного коллектора увеличивается, разрежение будет продолжаться, а диафрагмы под воздействием перепада давления левой (закрытой) и правой полостей регулятора будут деформировать пружину 18 и 

Перемещать стойку 12 в направлении уменьшения циркуляции топлива supply. In таким образом, вы получаете периферийную характеристику 5(см. рис. 5.20). для перехода в рабочий режим согласно нормативной характеристике 6-7 необходимо перекрыть дроссель/.Те, которые гарантируют модальность regulation.

To для увеличения циркуляции подачи топлива во время пуска используется упругий упор 16, на который можно воздействовать рычагом 10, и одновременно перемещать рельс в сторону, что еще больше увеличит циркуляцию подачи топлива.

Для каждого непрямого действия uli установлены мощные двигатели(дизельные, судовые или стационарные) (рис.5.23).

• Их конструкции включают чувствительные к нагрузке / скорости элементы, состоящие из пружины 2 и муфты 3, а также усилительный элемент с поршнями 17 и 19.Гидроцилиндр, управляемый регулирующим клапаном 6 и муфтой 3 в целом. Масло под давлением обратного насоса подачи / 5 (около 0,8 МПа) подается в масляный аккумулятор 16.As нагрузка увеличивается, скорость уменьшается. Пружина 2 смещена вниз муфтой 3 и клапаном 6.In в этом случае масло из накопителя 16 через каналы а и в поступает в нижнюю полость гидроцилиндра в большей (в 2 раза) площади поршня 17.Усилие произведено в гидровлическом цилиндре и поршень двигает вверх. Масло из / .

Дроссельная заслонка; 2. 10. 13 и 15-рычание 1 и: 3 и 7-толчок. 4-педаль для управления быстрым режимом двигателя. 5-рукоятка для остановки двигателя при запуске или концентрировании рабочей смеси.

 6 воздухоочистители; воздушные трубки; 9-вакуумные трубки; / / — муфта регулятора; 12-рейка топливного насоса:14-диафрагма; 16-регулируемый концентратор энтальпии: / 7-пружина обогащения; 18-пружина чувствительного элемента.; / 9-стабилизация упора в режиме холостого хода.

H) — пружинный упор; 21-крышка; 22-регулировочный винт Верхняя полость поршнем / 9 вдавливается в канал а. с помощью пальца 18 Вал 20 вращается и перемешивает стойку топливного насоса. Расход топлива.

Когда поршень гидроцилиндра поднимается, плунжер 20. Людмила Фирмаль

Регулятор непрямого действия обязательно имеет стабилизирующий элемент в виде жесткой или гибкой обратной связи. Pei PI1-30 оснащен гибкой обратной связью, которая обеспечивает постоянную скорость вращения при всех нагрузках от холостого хода до номинального LK (см. Рисунок 5.20). (см. фиг. 5.

23) 22 выталкивает масло в полость под поршнем 9 изодрома. Последний поднимается и сжимает пружину а, создавая силу, которая возвращает распределитель пара 6 в исходное положение.

Масло течет по поперечному сечению сжатого иглой 14 изодрома, поэтому избыточное давление пола за счет поршня 9 постепенно снижается.

Процесс регулировки возобновляется и заканчивается только тогда, когда клапан 6 занимает исходное положение, соответствующее пружине 8 холостого хода. Это происходит только при начальной ставке товара. Поэтому режим двигателя скоростной.

При параллельной работе двигателя, для того чтобы равномерно распределить нагрузку на двигатель, регулятор должен иметь небольшой наклон к регулирующему characteristics. To для получения таких характеристик необходима строгая обратная связь, которая включается в работу. Когда? Рычаг на валу 20, рычаги 23.

24 и 26 перемещаются против часовой стрелки, в результате чего запас деформации пружины 2 постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению скорости движения груза по мере увеличения нагрузки на двигатель.

Изменение скоростного режима выполняется с помощью (рыскание рыскающих узлов поворота ２１ для изменения пружины２の 予備変 перемещение штока может выполняться как вручную, так и дистанционно. Регулятор снабжен устройством для отключения подачи топлива. Рис. 5.23.

Схема автоматического регулятора косвенных денег Wii RN-30： / — Груз; 2-пружина; 3-муфта; 4-шестерни; 5-валы; 6-и 13-гидрораспределитель:7-втулки. 8-период миграции пружины; 9-поршень zodrome; / B-электромагнит. // — Запорный клапан; 12-запас; 14-ш Ла нзодром; / 5-бустерный реверсивный насос.

16-Масляный Аккумулятор. / 7.

 Нижний дифференциальный поршень i гидроцилиндра. 18-палец; / 9-цилиндр верхнего дифференциального поршня 1. 20-вал; 21-заглушка; 22-плунжер; 23. 24. 26 и 27-рычаг. 25 винтов; 28-тяга Вы можете запустить его удаленно, включив электромагнит). В 2-импульсный регулятор используется, когда требования к точности выше, для поддержания быстром режиме.

Регулятор 2 импов Ульс измеряет и производит влияние регулировки согласно 2 параметрам. Один из них регулируется (частота вращения коленчатого вала), другой 1-угловое ускорение или нагрузка.

В связи с требованиями к более полному сгоранию топлива возникла необходимость включения чувствительного элемента 4 в регулятор газотурбинного двигателя под давлением(рис. 5.24).

Давление во впускном коллекторе 7 измеряется и подача топлива пропускается через циркуляционный воздух supply.

As нагрузка увеличивается, скорость движения груза 10 уменьшается, точка а перемещается вправо, а рычаг управления 12 поворачивается около точки В и качает рейку топливного насоса 1 в направлении увеличения циркулирующей подачи топлива.

Однако это движение ограничено расположением точки B. Если увеличить наддув впускного коллектора 7, точка B переместится влево и в сторону большой циркулирующей подачи топлива.

В большинстве систем охлаждения двигателя, помимо регулятора скорости, имеется регулятор температуры, предназначенный для поддержания температуры, а шина setelli-Paris минимизирует расход топлива и износ на поверхности трения parts.

In для лучшего регулирования угла опережения впрыска топлива или воспламенения смеси во многих двигателях устанавливается соответствующее автоматическое устройство, которое изменяет этот угол в зависимости от режима работы.

Усовершенствование системы автоматического управления и регулирования Рисунок 5.24.

Схема автоматического прямого кондиционера DHYS1NMI оснащенного устройством коррекции давления наддува： / — Рельс топливного насоса: 2-elmsmsha давление наддува чувствительное к ipok. 3 и/ / — пружины: 4-чувствительные элементы.

5-отверстие; 6-компрессор; 7-впускной патрубок; 8-ступенчатая передача: 9 крейцкопф; 10 груз; 2 рычага управления В зависимости от режима работы двигателя, именно на пути к увеличению количества параметров необходимо поддерживать значение на оптимальном уровне.

С развитием вычислительной и микропроцессорной техники, устранение вредных компонентов создается для использования в системах автоматического управления двигателем, с целью оперативной обработки информации о состоянии двигателя, текущем значении параметров и синхронизации оптимального сочетания для обеспечения минимального расхода топлива при заданной нагрузке и скорости.

Режимы работы двигателя

Каждый режим работы двигателя характеризуется совокупностью многих параметров, отражающих те или иные его свойства.

К числу таких параметров можно отнести: Nе — эффективную мощность; M — крутящий момент; ? — угловую скорость коленчатого вала; рк —давление наддува; ge — эффективный удельный расход топ­лива; Т — температуру охлаждающей воды; ? — коэффициент избытка воздуха; ?e— эффективный КПД; h — положение рейки топливного насоса (органа управления); ?— положение рычага управления автоматическим регулятором и др.

Режим работы двигателя называется установившимся, если числовые значения всех названных (и многих других) параметров двигателя сохраняются постоянными во времени.

При этом необ­ходимо учитывать, что двигатель является машиной цикличе­ского действия, в связи с чем даже у многоцилиндровых двигателей с большой частотой вращения коленчатого вала не удается обес­печить точного поддержания значения того или иного параметра на выбранном установившемся режиме.

Например, колебания угловой скорости на установившихся режимах работы двигателя определяются степенью нестабильности [10], т. е. параметром, характеризующим размах амплитуды колебаний относительной мгновенной угловой скорости. Для различных двигателей сте­пень нестабильности имеет значение от 1 до 4%.

В этом случае при заданном установившемся режиме выбирают среднее значе­ние угловой скорости за определенный интервал времени (напри­мер, за один или несколько оборотов коленчатого вала).

Двигатель работает на установившемся режиме при выпол­нении таких условий статического равновесия, как равенство вы­работанного двигателем и израсходованного потребителем коли­чества энергии, выделенной и отведенной теплоты, подведенного и отведенного воздуха или газа, и т. п. Эти условия могут быть выражены уравнениями статического равновесия:

• двигателя
• M — Мс = 0;                                                                            (1)
• системы охлаждения
• Qn — QP = 0;                                                                                                       (2)
• впускного коллектора
• Gк — Gд = 0;                                                                          (3)
• выпускного коллектора
• Gг — Gт = 0;                                                                           (4)
• турбокомпрессора
• Мт — Мк = 0                                                                           (5)
• и других элементов двигателя.

В приведенных уравнениях: M — крутящий момент двигателя; Mс — момент сопротивления (момент потребителя); Qn — коли­чество теплоты, поступившей от двигателя в систему охлаждения в единицу времени; Qp — количество теплоты, отданной системой охлаждения через радиатор в ту же единицу времени; GK — количество воздуха, поданного ком­прессором во впускной коллек­тор в единицу времени; Gд— количество воздуха, поступив­шего в цилиндры двигателя в ту же единицу времени; Gг — количество отработавших газов, поступающих в единицу време­ни из цилиндров двигателя в выпускной коллектор; Gт—ко­личество отработавших газов, поступивших на лопатки турбины из выпускного коллектора в ту же единицу времени; Мт — крутя­щий момент турбины и Мк — момент сопротивления компрессора.

Уравнения статического равновесия (1) —(5) и другие обусло­вливают также и часто используемое название установившихся режимов — равновесные режимы, при которых обеспечивается равновесие в общем случае прихода и расхода энергии или массы.

Диапазон изменений каждого параметра обусловливается наз­начением двигателя и ограничивается его прочностными, тепло­выми и газодинамическими возможностями. Например, угловая скорость коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания мо­жет изменяться в ограниченных пределах.

Ряд факторов не поз­воляет превышать заданной максимальной угловой скорости вала ?maх, так как это влечет за собой превышение допустимых значе­ний сил инерции в деталях двигателя с точки зрения их прочности, приводит к ухудшению качества протекания рабочих процессов в цилиндре двигателя, увеличивает термическое перенапряжение деталей двигателей и т. п.

В некоторых случаях двигателю приходится работать при са­мой малой частоте вращения вала (например, при стоянке тепло­воза перед семафором). При этом скоростной режим должен быть таким, чтобы двигатель работал устойчиво. Если снизить угловую скорость вала ниже допустимого минимального предела ?min, то появятся перебои в работе, в результате чего двигатель может самопроизвольно остановиться.

Следовательно, скоростные режимы двигателя ограничены как верхним ?mах/?ном, так и нижним ?min/?ном пределами (рис. 21).

На каждом скоростном режиме мощность двигателя может изме­няться от нулевой (холостой ход) до максимальной, которую спо­собен развить данный двигатель при заданном скоростном режиме. Максимальная мощность обусловливается максимальной нагрузкой при которой еще не нарушаются нормальные условия протекания процессов в цилиндре двигателя.

Из сказанного следует, что возможные установившиеся режимы работы двигателя охватывают некоторую область, которую можно изобразить графически в виде заштрихованной площади (рис.

21), ограниченной по оси ординат максимально возможной мощностью Ne/Ne ном при выбранном скоростном режиме, а по оси абсцисс — минимальным ?min/?ном и максимальным ?mах/?ном скорост­ными режимами. Точка А с координатами (1; 1) соответ­ствует номинальному режиму работы. Обычно технические усло­вия предусматривают возможность кратковременной перегрузки двигателя на 10—15%.

На рис. 21 этот режим отмечен точкой В. Точка С соответствует режиму работы холостого хода при номиналь­ной угловой скорости, точки D и E соответствуют минимально возможному скоростному режиму.

Между параметрами, характеризующими работу двигателя на каждом установившемся режиме, существуют определенные функ­циональные зависимости, определяемые теорией рабочих процес­сов двигателя.

Так, эффективный КПД двигателя

связан со средним индикаторным давлением механическим КПД ?м, давлением наддувочного воздуха рк и его температурой Тк, коэффициентом наполнения ?m; М1 — действительное количество воздуха в цилиндре двигателя после дозарядки при давлении рк и температуре Тк; Ни — теплота сгорания топлива.

Среднее эффективное давление

где ? — коэффициент избытка воздуха; рк — плотность воздуха; ?i и ?m — соответственно индикаторный и механический КПД; ?? — коэффициент наполнения.

В обобщенной форме этой зависимости можно придать вид

Каждый установившийся режим двигателя всегда определя­ется постоянством во времени всех параметров, входящих (и не входящих) в зависимость (6).

Эту зависимость можно представить в виде некоторой многомерной поверхности, каждая точка кото­рой определяется совокупностью конкретных числовых значений всех параметров, входящих в функциональную зависимость (6) и соответствующих определенному установившемуся режиму.

Однако во многих случаях нет необходимости учитывать все возможные параметры, характеризующие работу двигателя на установившемся режиме.

В этих случаях выбирают один, два, три или несколько параметров, представляющих наибольший интерес; например, к числу таких параметров можно отнести М — крутя­щий момент двигателя; ? — угловую скорость коленчатого вала; h — положение рейки топливного насоса или gц — цикловую подачу топлива.

Если за положительное направление перемеще­ния рейки принять ее перемещение в сторону уменьшения цикло­вой подачи топлива, то эти три параметра в совокупности дадут некоторую поверхность А (рис. 22). Каждая точка поверхности А соответствует одному установившемуся (равновесному) режиму.

Иногда для характеристики установившегося режима работы двигателя из всего многообразия параметров (6) выбирают по­стоянство какого-то одного параметра и по его значениям харак­теризуют тот или иной установившийся режим работы двигателя.

Например, постоянное числовое значение крутящего момента двигателя свидетельствует об соответствующем установившемся нагрузочном режиме (М = const при h = var; ? = var), постоян­ное значение угловой скорости вала ? — об определенном уста­новившемся скоростном режиме (? — const при М = var; h = var), называемом стационарным.

Постоянное значение темпе­ратуры охлаждающей воды Т свидетельствует об соответствующем тепловом режиме двигателя и т. д. В некоторых случаях на всех возможных установившихся режимах между отдельными параме­трами выдерживается определенная связь.

Так, между моментом сопротивления Мс гребного винта и его угловой скоростью имеется зависимость Мс = Фс?2, поэтому на параболе ЕА (см. рис. 21) укладываются все статические установившиеся режимы судового двигателя, а сама парабола ЕА соответствует судовым условиям работы двигателей.

В транспортных условиях двигатель может иметь любые ре­жимы: как скоростные, так и нагрузочные. Заштрихованная пло­щадь на рис. 21 характеризует, таким образом, область возмож­ных режимов работы двигателя в транспортных условиях.

Если в процессе эксплуатации двигатель работает на ряде установившихся скоростных и нагрузочных режимов, то часто говорят, что такой двигатель работает на переменных режимах.

Например, можно сказать, что транспортный двигатель может ра­ботать на переменных скоростных и нагрузочных режимах, в то время как стационарный дизель-генератор должен иметь один установившийся скоростной режим при переменных нагрузочных режимах.

Лекция 8

ЛЕКЦИЯ 8

Установившийся режим движения машины.

   Краткое содержание:Установившийся режим движения машины. Неравномерность движения и методы ее регулирования. Коэффициент неравномерности. Маховик и его роль в регулировании неравномерности движения. Решение задачи регулирования хода машины по методу Н.И.Мерцалова.

Алгоритм решения прямой задачи динамики при установившемся режиме движения машины. Уточнение метода Н.И.Мерцалова по способу Б.М.Гутьяра.Расчет дополнительной маховой массы по методу Виттенбауэра.Статическая характеристика асинхронного электродвигателя и ее влияние на неравномерность движения.

Устойчивость движения машины с асинхронным электродвигателем.

Контрольные вопросы

• Установившийся режим движения машины.
• Установившийся режим движения машины наступает тогда когда работа внешних сил за цикл не изменяет ее энергии, то есть суммарная работа внешних сил за цикл движения равна нулю.
• Установившееся движение Адц = Асц , Ац = D Т = 0 ,
• где

-соответственно работа

за цикл движущих сил и сил сопротивления,

j 10 — начальное значение обобщенной координаты, D j ц — приращение обобщенной координаты за цикл.

Рис. 8.1

Неравномерность движения и методы ее регулирования.

В пределах цикла текущее значение суммарной работы не равно нулю. Работа может быть то положительной, то отрицательной. При положительной величине работы машина увеличивает свою кинетическую энергию за счет увеличения скорости, то есть разгоняется.

На участках, где суммарная работа отрицательна, кинетическая энергия и скорость машины уменьшается, машина притормаживается.

В установившемся режиме величины увеличения скорости на участках разгона и снижения на участках торможения за цикл равны, поэтому средняя скорость движения w 1ср = const постоянна.

В машинах приведенный момент инерции которых зависит от обобщенной координаты, на неравномерность движения оказывает влияние величина изменения приведенного момента инерции. Колебания скорости изменения обобщенной координаты машины не оказывают прямого влияния на фундамент машины. Поэтому эти колебания и вызывающие их причины определяют, так называемую, внутреннюю виброактивность машины.

Величина амплитуды колебаний скорости D w 1 определяется разностью между максимальной w 1max и минимальной w 1min скоростями. За меру измерения колебаний скорости в установившемся режиме принята относительная величина,

которая называется коэффициентом изменения средней скорости

d = D w 1 /w 1ср = ( w 1max— w 1min ) / w 1ср ,

где w 1ср = ( w 1max + w 1min ) / 2 — средняя угловая скорость машины.

Для различных машин в зависимости от требований нормального функционирования (обрыв нитей в прядильных машинах, снижение чистоты поверхности в металлорежущих станках, нагрев обмоток и снижение КПД в электрогенераторах и т.д.) допускаются различные максимальные значения коэффициента изменения средней скорости. Существующая нормативная документация устанавливает следующие допустимые значения коэффициента неравномерности [d ]:

• дробилки [d ] = 0.2 … 0.1;
• прессы, ковочные машины [d ] = 0.15 … 0.1;
• насосы [d ] = 0.05 … 0.03;
• металлорежущие станки нормальной точности [d ] = 0.05 … 0.01;
• металлорежущие станки прецизионные [d ] = 0.005 … 0.001;
• двигатели внутреннего сгорания [d ] = 0.015 … 0.005;
• электрогенераторы [d ] = 0.01 … 0.005;
• прядильные машины [d ] = 0.02 … 0.01 .

Чтобы снизить внутреннюю виброактивность и неравномерность движения применяются различные методы:

• уменьшение влияния неравномерности внешних сил ( например, применение многоцилиндровых ДВС, насосов и компрессоров с рациональным сдвигом рабочих процессов в цилиндрах );
• уменьшение влияния переменности приведенного момента инерции ( тоже обеспечивается увеличением числа цилиндров в поршневых машинах, а также уменьшением масс и моментов инерции деталей, приведенный момент инерции которых зависит от обобщенной координаты );
• установка на валах машины центробежных регуляторов или аккумуляторов кинетической энергии — маховиков;
• активное регулирование скорости с использованием систем автоматического управления, включая и компьютерное управление.

Рассмотрим подробно наиболее простой способ регулирования неравномерности вращения — установку дополнительной маховой массы или маховика. Маховик в машине выполняет роль аккумулятора кинетической энергии.

При разгоне часть положительной работы внешних сил расходуется на увеличение кинетической энергии маховика и скорость до которой разгоняется система становится меньше, при торможении маховик отдает запасенную энергию обратно в систему и величина снижения скорости машины уменьшается.

Сказанное иллюстрируется графиками, изображенными на рис. 8.2. На этом рисунке: D w 1 — изменение угловой скорости до установки маховика, D w 1* — после установки маховика.

Отсюда можно сделать вывод: чем больше дополнительная маховая масса, тем меньше изменение D w 1* и коэффициент неравномерности d .

Рис. 8.2

Определение закона движения D w 1 = f ( j 1 ) и приведенного момента инерции IпрI .

Из теоремы об изменении кинетической энергии можно записать

D T = T — Tнач = А, где D T = D TI + D TII = А и TI = IпрI*w 21/2 .

Если допустить, что D TI » dTI , то dTI = IпрI *w 1 * dw 1 . Так как при установившемся движении D w 1

Равновесные (установившиеся) режимы работы двигателя

Режим работы двигателя называется установившимся, если числовые значения всех параметров сохраняются постоянными во времени. Но необходимо учитывать, что при циклическом характере работы двигателя значения ряда параметров (например ω) колеблются относительно некоторых средних значений.

Тогда для установившегося режима выбираются эти средние значения. Работа двигателя в установившемся режиме возможна только при выполнении условий статического равновесия, в связи, с чем установившиеся режимы часто называются равновесными.

Так, например, постоянство во времени ω при равновесном режиме возможно при выполнении условия.

• Мо — Мсо = 0, (1.2)
• где Мо — крутящий момент двигателя; Мсо — момент потребителя (сопротивление), и индексом «0» отмечаются значения параметров, соответствующие выбранному равновесному режиму.
• Постоянство теплового состояния двигателя (температуры охлаждающей воды) обеспечивается при выполнении условия
• Qпo — Qpo = 0, (1.3)
• где Qпo –количество теплоты, поступившее от двигателя в систему охлаждения в единицу времени; Qpo – отдача теплоты (через радиатор) окружающей среде в единицу времени.

Значения параметров на возможных установившихся режимах работы двигателя строго ограничены прочностными, тепловыми и газодинамическими возможностями. Например, угловая скорость ω должна изменяться только в пределах от ωмах до ωмин (рис. 1.6), так как:

— при ω < ωмин не обеспечивается смесеобразование и не возникает вспышка рабочей смеси (двигатель глохнет);

— а максимально возможное значение ωмах ограничивается количеством топлива, которое может сгореть в камере сгорания в каждом цикле и т.д.

Эти ограничения отражаются на Рис. 1.6 где показаны некоторые характеристики двигателя и потребителя. Точки пересечения этих характеристик соответствуют установившимся режимам. Например, режим А устанавливается на пересечении внешней скоростной характеристики двигателя и характеристики ХП1 потребителя. Этот режим соответствует линии номинальных (наиболее приемлемых) угловых скоростей.

Таким образом, возможные установившиеся режимы двигателя охватывают некоторую область, показанную на рис. 1.6 в виде площади, ограниченной линиями (min, max, внешняя скоростная характеристика- 1).

Режим А1 устанавливается если при работе двигателя по внешней скоростной характеристике, резко подает нагрузка потребителя. Этот режим является «опасным», т.к.

скорость ω становится выше допустимой.

Рис 1.6 Совмещенные характеристики двигателя и потребителя. 1 — внешняя скоростная характеристика двигателя; 2 — частичная скоростная характеристика двигателя; 3 – характеристика холостого хода; ХП1 , ХП2 – характеристики потребителя; А , А1 , А2 – точки установившихся (равновесных) режимов; min, ном, max – линии минимальных, номинальных и максимальных режимов (соответственно)

Последовательная совокупность установившихся режимов при постоянстве одного из выбранных параметров образует соответствующую статическую характеристику двигателя.

Например, М = f(ω) при h = const (положение рейки топливного насоса) дает скоростную характеристику; h = f(ω) при М = const — регулировочную характеристику; М = f(h) при ω = const — нагрузочную характеристику и т.д.

Режимы работы судового двигателя

Режимы работы двигателя на судне определяются величиной крутящего момента на коленчатом валу и частотой вращения.

К установившимся режимам относится работа на гребной винт или генератор при постоянной частоте вращения и неизменной нагрузке. Характер этих режимов зависит во многом от сопротивления воды движению судна.

• Особыми установившимися режимами являются работа двигателя при увеличенных температурах наружного воздуха, повышенном сопротивлении в выпускном тракте вследствие засорения его сажей и осадками масла, работа с неполным числом цилиндров или при неисправном турбокомпрессоре, работа при плавании в битом льду, с ненормальным дифферентом, с поврежденным гребным винтом.
• К неустановившимся режимам работы двигателя относятся работа при пусках, прогреве и остановках, работа при переходе с одного скоростного режима на другой (постановка и выборка орудий лова), работа на винт при разгоне судна, работа во время реверсирования судна или его циркуляции, работа на заднем ходу, работа на генератор при изменении электрической нагрузки.
• Работа дизеля при увеличенном сопротивлении движению судна

Если сопротивление движению судна по каким-либо причинам увеличилось, например вследствие обрастания корпуса, плохой погоды, влияния мелководья или при буксировке трала, гребной винт становится более «тяжелым». Иначе говоря, он потребляет от двигателя при той же частоте вращения мощности, большую, чем при обычных условиях.

В установке с обычным гребным винтом фиксированного шага во избежание перегрузки двигателя снижают частоту вращения.

На сколько нужно понизить частоту вращения, определяют в каждом конкретном случае в соответствии с инструкцией завода-изготовителя, в которой указываются предельные значения температуры выпускных газов, расхода топлива или максимального давления сгорания для каждого значения частоты вращения (ограничительная характеристика).

В установке с ВРШ нет необходимости снижать частоту вращения — можно лишь уменьшить шаг винта с таким расчетом, чтобы параметры двигателя, контролируемые по приборам, соответствовали номинальному режиму.

Наиболее тяжелым установившимся режимом является работа на швартовах. В этом случае сопротивление движению корпуса бесконечно велико.

В практике эксплуатации возможны случаи уменьшения сопротивления движению судна, например при плавании в балласте или при сильном попутном ветре. Гребной винт при этом становится «легче», т. е. несколько недогружает главный двигатель при номинальной частоте вращения.

Выбор режима при увеличении сопротивления движению судна диктуется необходимостью сохранения тепловой и механической напряженности двигателя в нужных пределах. Показателем теплонапряженности является величина и характер изменения температуры в стенках поршней, цилиндровых втулок и крышек.

Так, температура зеркала цилиндра в районе первого поршневого кольца (при положении поршня в в. м. т.) не должна превышать 175° С во избежание разрушения масляной пленки и возникновения сухого трения.

Температура поршней лимитируется в районе первого поршневого кольца из условий предотвращения его закоксовывания, на днище поршня из условий сохранения допускаемых тепловых напряжений и отсутствия коксо- и лакообразования со стороны, омываемой охлаждающим маслом.

Показателем механической напряженности является напряжения и деформации, возникающие в деталях от действия сил давления газов и сил инерции движущихся частей. Косвенно о механической напряженности можно судить по величине максимального давления сгорания и жесткости работы двигателя, под которой понимают интенсивность повышения давления в цилиндре во время сгорания топлива.

Большое влияние на механическую напряженность коленчатого вала оказывают крутильные колебания.

Коленчатый вал вместе с другими присоединенными к нему движущимися поступательно и вращающимися деталями представляет собой упругую систему, отдельные участки которой при работе двигателя закручиваются и раскручиваются в разных направлениях.

Такие «вынужденные» крутильные колебания наблюдаются на всех режимах, и вызываются они главным образом периодическим действием сил давления газов в цилиндрах. Иногда оказывает влияние и неравномерный крутящий момент гребного винта, периодичность изменения которого зависит от числа лопастей.

Упругая вращающаяся система валов обладает собственными колебательными свойствами — частотой свободных колебаний и их формой. Эти свойства зависят только от расположения масс деталей и упругости соединяющих их участков вала. Свободные колебания не развиваются при работе двигателя, их можно лишь возбудить искусственно, если кратковременно приложить крутящий момент.

После прекращения действия момента система начинает колебаться с определенной частотой, но колебания быстро затухают благодаря внутреннему трению в материале валов.

В зависимости от того, в каком месте вала приложить момент, могут возникнуть колебания разных форм.

При одной из форм — одноузловой — концы валовой линии закручиваются в разных направлениях, а в средней части одно из сечений не участвует в колебаниях (узел).

При двухузловой форме оба конца валовой линии закручиваются в одну сторону, а ее средняя часть — в другую; таким образом образуются два узла. Возможны также трехузловая, четырехузловая и другие формы колебаний.

Чем выше форма колебаний, тем больше частота свободных колебаний.

В обычных установках практическое значение могут иметь одноузловые и двухузловые колебания; их частота соответственно составляет 200 — 3000 и 900 — 10000 колебаний в минуту.

При увеличении или уменьшении частоты вращения вала двигателя соответственно изменяется и частота вынужденных колебаний от сил давления газов в цилиндрах. На некоторых режимах она совпадает с частотой свободных колебаний одно- или двухузловой формы.

В результате развиваются резонансные колебания. Степень их опасности определяется расчетом еще при проектировании установки и проверяется специальным прибором (торсиографом) на одном из судов каждой серии.

В случае, если напряжения не превышают допускаемой величины, никаких ограничений не накладывается.

Некоторое превышение напряжений говорит о необходимости назначить запретную зону.

Продолжительная работа двигателя в этой зоне недопустима, так как может привести к разрушению валовой линии в одном из сечений из-за усталости материала вала. Возможно также повреждение зубьев шестерен редуктора.

Внешне работа двигателя в запретной зоне может сопровождаться заметной вибрацией и шумами, но эти признаки обнаруживаются не всегда.

Запретные зоны отмечаются на тахометре красным сектором. Проход через запретную зону при увеличении или уменьшении частоты вращения осуществляется плавно, но быстро.

Значительное превышение напряжений при резонансах над допускаемыми напряжениями представляет опасность даже при кратковременной работе.

В таких случаях дизелестроительным или судостроительным заводом принимаются меры борьбы с крутильными колебаниями.

Можно, например, уменьшить ширину или диаметр маховика, и тогда запретная зона сместится в зону выше номинальной частоты вращения. Применяют и специальные устройства — демпферы и антивибраторы.

Общим показателем тепловой и механической напряженности дизеля является степень форсирования. Наиболее удобно оценивать степень форсирования величиной удельной поршневой мощности показывающей, сколько эффективных лошадиных сил приходится на 1 дм2 площади поршня.

На долевых режимах удельная поршневая мощность, а следовательно, и тепловая и механическая напряженности резко снижаются. Но это не значит, что малые частота вращения и нагрузки являются наиболее благоприятными для двигателя.

На таких режимах ухудшаются условия охлаждения и смазки, происходят забросы масла в выпускной коллектор. Поэтому продолжительная работа на малых нагрузках нежелательна. Некоторые заводы ограничивают минимальную нагрузку на дизель при разных значениях частоты вращения определенными величинами.

Такое ограничение, например, введено для распространенного на флоте рыбной промышленности дизеля 8ДР43/61.

Работа двигателя при повышенной температуре наружного воздуха

На режимах, близких к предельно допустимой в эксплуатации мощности, двигатель чувствителен к параметрам наружного воздуха.

Повышение температуры и влажности воздуха и снижение атмосферного давления приводят к уменьшению весового заряда воздуха, поступающего в цилиндры.

В результате снижается мощность и экономичность, ухудшается тепловая и механическая напряженность. Наибольшее влияние оказывает температура воздуха.

По указанной причине дизелестроительные заводы гарантируют номинальную мощность при определенных внешних условиях.

В СССР нормальными условиями, согласно ГОСТ 5733 — 51, считаются температура воздуха на впуске +15° С, барометрическое давление (760 мм рт. ст.) и относительная влажность 0,6.

Некоторые заводы, например «Русский дизель», гарантируют номинальную мощность и при менее благоприятных условиях, в частности при температуре до +25° С (двигатель 8ДР43/61).

Каждый дизелестроительный завод в инструкции по эксплуатации двигателя регламентирует величину снижения мощности при изменении внешних условий. При отсутствии в инструкции соответствующих указаний можно руководствоваться следующими ориентировочными данными: мощность двигателя следует снижать на 3 — 5% при увеличении температуры наружного воздуха на каждые 10° С свыше 20° С.

Работа двигателя при выключенном цилиндре

При невозможности быстро устранить неисправность в одном из цилиндров допускается временная работа двигателя с отключенным цилиндром.

Отключение неисправного цилиндра может сопровождаться только прекращением подачи в него топлива или демонтажем деталей движения.

В последнем случае у двухтактного двигателя выпускные и продувочные окна закрывают либо специальными приспособлениями, либо путем подвешивания поршня на талях.

1. Эффективная мощность главных двигателей, работающих при постоянной частоте вращения (в установках с ВРШ), и дизель-генераторов снижается на величину индикаторной мощности отключенного цилиндра.
2. В установке с обычным винтом фиксированного шага необходимо снизить частоту вращения (об/мин) до значения
3. где nн — номинальное число оборотов; Niц — индикаторная мощность отключенного цилиндра; Neн — номинальная эффективная мощность дизеля.

Следует иметь в виду, что при отключенном цилиндре изменяется расположение запретной зоны от крутильных колебаний. Поэтому при работе дизеля следует особенно тщательно следить за его шумом и вибрацией.

Работа при трогании с места и разгоне судна

При трогании с места и разгоне судна, кроме сопротивления воды, необходимо преодолеть еще силу инерции массы судна. Следовательно, движущая сила и момент винта могут быть больше, чем при равномерном движении судна с заданной скоростью.

Если при трогании судна с места скорость вращения вала двигателя будет больше, то последний окажется перегруженным.

Быстрый разгон, позволяя быстрее достигнуть скорости полного хода судна, вызывает более высокую нагрузку двигателя или даже его перегрузку. При медленном разгоне судна вращающий момент постепенно достигает значения момента полного хода, и разгон судна совершается без перегрузки двигателя.

• Работа на задний ход и при реверсировании винта
• При работе двигателя на задний ход необходимо, чтобы углы открытия и закрытия клапанов газораспределительного механизмы и углы опережения подачи топлива в цилиндры были равны соответствующим углам при работе на передний ход.
• Если предохранительные клапаны «стреляют» только при работе двигателя «Назад», то это указывает на увеличение угла опережения подачи топлива по сравнению с работой двигателя «Вперед».
• При частоте вращения заднего хода, равной частоте вращения полного хода вперед, момент сопротивления может значительно превысить номинальный момент на валу двигателя, что приведет к перегрузке двигателя.
• Большую опасность представляет увеличение напряжений в коленчатом валу на маневрах при торможении движения сжатым воздухом для ускорения процесса реверсирования, а также при разгоне двигателя на задний ход при продолжающемся движении судна вперед.

При движении судна полным ходом двигатель в процессе реверсирования должен остановить гребной винт (при выключенном двигателе судно по инерции продолжает движение и гребной винт вращается под действием потока воды за судном), удержать его в неподвижном положении и начать вращать в нужном направлении. При этом на коленчатом валу создается крутящий момент значительно больше номинального, что может привести к поломке коленчатого вала. Для предотвращения перегрузки двигателя реверсирование необходимо осуществлять при возможно меньшей скорости судна.