Общие сведения о характеристиках
Для правильной эксплуатации двигателя необходимо знать изменение его эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива в зависимости от условий работы. Значения мощности и расхода топлива при различных условиях работы двигателя определяются по его характеристикам.
Характеристиками двигателя принято называть зависимости его эффективной мощности Ne и эффективного расхода топлива Сe, от какой-либо величины, по изменению которой в условиях эксплуатации мы устанавливаем или контролируем режим работы двигателя.
Мощность, развиваемая двигателем, и удельный расход топлива зависят, в основном, от частоты вращения коленвала, давления наддува и от давления и температуры атмосферного воздуха, т. Е. от высоты полета.
Эти же величины удобнее всего поддаются измерению и контролю в условиях эксплуатации.
Поэтому изменение мощности и удельного расхода топлива двигателя принято определять в зависимости от числа оборотов, давления наддува и высоты полета.
Характеристики двигателя представляются обычно в форме графиков, в которых по оси ординат откладываются значения эффективной мощности Ne исоответствующего ей удельного эффективного расхода топлива (иногда откладываются дополнительно и другие величины, характеризующие работу двигателя, например часовой расход топлива, давление наддува и т. Д.), а по оси абсцисс — та величина, от которой дается зависимость этих величин, т. Е. частота вращения коленвала, давление наддува, высота полета и пр.
Характеристики двигателя могут быть получены путем расчета или по результатам испытания двигателей на стенде. Основными характеристиками, имеющими наибольшее практическое значение, являются характеристики по частоте вращения коленвала — внешняя и винтовая, а также характеристики в зависимости от высоты полета — высотные характеристики.
Внешняя характеристика двигателя
Внешней характеристикой двигателя называется зависимость эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя на земле и при полном открытии дроссельной заслонки.
При работе двигателя по внешней характеристике состав смеси на всех оборотах поддерживается постоянным и отрегулированным на максимальную мощность. Опережение зажигания устанавливают наивыгоднейшее, т. Е. такое, которое обеспечивает получение максимальной мощности и отсутствие детонации.
Изменение частоты вращения коленвала при снятии внешней характеристики достигается изменением внешней нагрузки на вал двигателя за счет применения гидравлических тормозов или изменения шага винта (см. приложение 1).
Внешняя характеристика двигателя АШ-62ИР при полностью открытых дроссельных заслонках показана на рис.3 (кривые 1 и 3). Как видно из рисунка, эффективная мощность Ne и эффективный удельный расход топлива Се с увеличением числа оборотов непрерывно растут.
Увеличение эффективной мощности происходит в результате увеличения числа циклов в единицу времени и среднего эффективного давления ре. Последнее обусловлено ростом весового заряда смеси за счет повышения давления наддува с увеличением частоты вращения коленвала (увеличение частоты вращения коленвала с 1700 до 2200 об/мин увеличивает ре на 1 кгс/см2).
Рис.3. Внешняя характеристика двигателя АШ-62ИР:
1— эффективная мощность (Ne) при полностью открытой дроссельной заслонке; 2— эффективная мощность(Ne) при рк=900 мм.рт.ст.;3— эффективный удельный расход топлива (Ce) при полностью открытой дроссельной заслонке
Характер изменения Се по внешней характеристике определяется в основном характером изменения hм, который с увеличением частоты вращения коленвала непрерывно уменьшается. Индикаторный к. п. д. hi, при этом практически не меняется, так как коэффициент избытка воздуха изменяется очень мало.
Внешняя характеристика при полностью открытой дроссельной заслонке показывает наибольшие мощности, которые возможно получить от двигателя при различной частоте вращения коленвала числах. Для двигателей с наддувом, кроме этой характеристики, обычно дастся также внешняя характеристика при неизменном расчетном давлении наддува рк, равном номинальному (кривая 2 на рис.3).
Здесь частота вращения, как и в первом случае, изменяется изменением нагрузки на вал двигателя, а постоянный наддув по мере увеличении числа оборотов поддерживается прикрытием дроссельных заслонок.
Внешняя характеристика при неизменном рк, соответствующему рк номинального режима, показывает наибольшие мощности, на которых двигатель может надежно работать продолжительное время (не менее 1 ч).
Винтовая характеристика
Винтовой характеристикой называется зависимость эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива от числа оборотов при работе двигателя с винтом фиксированного шага.
При снятии винтовой характеристики число оборотов изменяется путем изменения количества подачи топлива при различных положениях дроссельной заслонки.
Обычно для двигателя дается одна винтовая характеристика, соответствующая его работе с винтом, установленным на самый малый шаг.
С таким винтом двигатель развивает взлетную мощность и частоту вращения коленвала при полностью открытой дроссельной заслонке.
Винтовая характеристика двигателя АШ-62ИР дана на рис.4. Как видно из рисунка, с увеличением частоты вращения эффективная мощность двигателя непрерывно повышается, а удельный расход топлива сначала снижается, а затем также повышается.
Рис.4. Винтовая характеристика двигателя АШ-62ИР
Эффективная мощность двигателя при любой установившейся частоте вращения равна мощности, потребляемой винтом на свое вращение.
Если этого равенства не будет, то частота вращения коленвала двигателя будет увеличиваться или уменьшаться. Мощность, потребляемая данным винтом, изменяется прямо пропорционально кубу частоты его вращения.
Следовательно, и эффективная мощность двигателя по винтовой характеристике изменяется по тому же закону.
Характер изменения эффективного удельного расхода топлива по винтовой характеристике определяется характером изменения hi, и hм от частоты вращения. Изменение hi в основном зависит от изменения качества смеси (a) при изменении частоты вращения, т. Е.
от регулировки карбюратора (см. приложение 2). Значительное обогащение смеси на малом газе и взлетном режиме приводит к уменьшению hiи к соответствующему увеличению эффективного удельного расхода топлива.
Более бедные смеси на крейсерских числах оборотов приводят к повышению hi и снижению Се.
4.4. Высотные характеристики
Высотной характеристикой называется зависимость эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива от высоты полета при постоянной частоте вращения коленвала, качестве смеси и давлении наддува, равном номинальному.
Номинальное давление наддува поддерживается постоянным до такой высоты, на которой оно достигается при полностью открытых дроссельных заслонках и номинальной частоте вращения. Эта высота называется расчетной.
Как видно из рис. 5, эффективная мощность двигателя АШ-62ИР увеличивается с подъемом до расчетной высоты (на 20 л. С.), а затем уменьшается. Эффективный удельный расход топлива, наоборот, с подъемом до расчетной высоты снижается, а затем возрастает.
- Увеличение мощности с подъемом до расчетной высоты обусловливают следующие факторы:
- — уменьшение наружной температуры (а следовательно, и температуры смеси за нагнетателем; при постоянном рк приводит к увеличению удельного веся смеси поступающей в цилиндры, и ее весового заряда;
- — уменьшение противодавления на выхлопе с подъемом на высоту способствует лучшей очистке цилиндров от остаточных газов, что также приводит к увеличению весового заряда смеси;
- — понижение давления в картере приводит к снижению затрат мощности на выполнение насосных ходов, так как с увеличением высоты возрастает положительная работа в такте впуска.
На высоте, превышающей расчетную, мощность двигателя снижается, как и у невысотного двигателя, в результате уменьшения плотности воздуха. При этом мощность уменьшается интенсивнее, чем плотность воздуха.
Рис. 5. Высотная характеристика двигателя АШ-62ИР
Характер изменения эффективного удельного расхода топлива Се в зависимости от высоты полета определяется исключительно изменением hм с высотой. При этом величина hм определяется соотношением только индикаторной мощности и мощности механических потерь, так как мощность, потребляемая нагнетателем NН, на всех высотах изменяется пропорционально Ni и на механический к.п.д. влияния не оказывает.
До расчетной высоты индикаторная мощность Ni увеличивается, а мощность механических потерь NМ уменьшается за счет указанных выше факторов. Следовательно 
с подъемом до расчетной высоты увеличивается, а Се уменьшается.
На высотах больше расчетной индикаторная мощность уменьшается интенсивнее, чем мощность механических потерь, в результате чего Nе, уменьшается, а Се возрастает.
Высотная характеристика обычно дается не только для номинальных, но и для других частот вращения. Серия таких высотных характеристик мощности двигателя АШ-62ИР дана на рис. 6. Пользуясь этим графиком, можно определить высоты, на которых возможно получить требуемую крейсерскую мощность при различных числах оборотов.
Рис.6. Серия высотных характеристик мощности двигателя АШ-62ИР
Работа, совершаемая газами во всех цилиндрах в единицу времени, называется индикаторной мощностью двигателя, а соответствующая ей мощность, развиваемая двигателем на конце коленчатого вала и отдаваемая силовой передаче (на электрогенератор, приводной ремень, гребной винт),— эффективной, или действительной, мощностью двигателя. При этом
В двигателях внутреннего сгорания работа совершается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Преобразование его в индикаторную работу неизбежно связано с потерей части тепла. Величина, показывающая, какая доля от всего тепла преобразована в индикаторную работу в цилиндре двигателя, называется индикаторным коэффициентом полезного действия и представляет собою отношение:
Чем совершеннее двигатель и чем лучше преобразуется в нем энергия топлива в полезную механическую работу, тем меньше удельный расход топлива.
На величину удельного расхода топлива значительно влияет степень сжатия: чем больше степень сжатия, тем меньше удельный расход топлива.
Поэтому у дизелей удельный расход топлива значительно меньше, чем у карбюраторных двигателей, т. е. дизели экономичнее последних.
Тепловой баланс. В полезную эффективную работу обычно превращается лишь 25—41% тепла, получаемого в результате сжигания топлива в двигателе; остальная часть энергии сжигаемого топлива тепяется в п do мессе паботы двигателя.
Удельный расход топлива. Оценка экономичности двигателя внутреннего сгорания может быть произведена непосредственно по количеству топлива, затрачиваемого на получение полезной работы в единицу времени.
Удельный расход топлива подсчитывается как отношение секундного расхода топлива GT к полезной мощности Ne двигателя:
— расхода топлива и т. д.
Характеристики составляются при испытаниях двигателя на стенде и загрузке его тормозом (гидравлическим, электрическим) либо винтом и используются для оценки двигателя при выборе его для силовой установки.
Различают характеристики: скоростные, нагрузочные и регулировочные.
Скоростные характеристики определяют зависимость мощности или крутящего момента от числа оборотов двигателя. Различают внешние и винтовые скоростные характеристики.
Внешние характеристики двигателя—это кривые зависимости максимальной мощности или крутящего момента от числа оборотов двигателя при наибольшей подаче топлива. Так как внешняя характеристика относится к работе двигателя при максимально допустимой подаче топлива, то она дает значения наибольших мощностей, которые можно, получить от двигателя при разных числах оборотов.
Построив кривую зависимости мощности трения от числа оборотов и взяв разность между индикаторной мощностью и мощностью трения при различных числах оборотов, можно получить кривую изменения Ne с изменением числа оборотов.
Эффективная мощность всегда имеет максимальное значение при числе оборотов меньшем, чем то, при котором получается максимальное значение индикаторной мощности.
Увеличивая число оборотов, можно получить такой режим двигателя, при котором мощность трения окажется равной индикаторной мощности, а эффективная мощность будет равна нулю. Однако работа двигателя при числе оборотов, большем расчетного га, соответствующего максимальному значению эффективной мощности, нецелесообразна.
Таким образом, эффективная мощность двигателя по винтовой характеристике изменяется так же, как и мощность, поглощаемая винтом, т. е. пропорциональна кубу числа оборотов.
Так как эффективная мощность двигателя по внешней характеристике меняется по другому закону, то двигатель, нагруженный винтом, при изменении числа оборотов должен регулироваться изменением положения дросселя в карбюраторных двигателях или подачей топлива с помощью топливного насоса в двигателях с самовоспламенением.
Для двигателя при данном винте число оборотов гамакс является максимально возможным. Этому числу оборотов соответствует максимальная мощность двигателя /VMaKC.
При числе оборотов га> гамакс двигатель работать не может, так как при этом эффективная мощность двигателя (по внешней характеристике) растет медленнее, чем мощность, поглощаемая винтом (по винтовой характеристике).
При числе оборотов га < гамакс мощность, поглощаемая винтом, оказывается меньше, чем эффективная мощность двигателя при максимальной подаче топлива с помощью насоса. Поэтому при таких числах оборотов работа двигателя возможна только при соответствующем дросселировании или уменьшении подачи топлива.
Нагрузочные характеристики двигателя определяют связь между параметрами, оценивающими работу двигателя, и параметрами нагрузки, например между секундным расходом топлива и эффективной мощностью или средним эффективным давлением при постоянном числе оборотов. Обычно нагрузочные характеристики выражают зависимость расхода топлива или температуры отработавших газов от эффективной мощности двигателя.
Изменение мощности двигателя при постоянном числе оборотов достигается дросселированием горючей смеси или изменением подачи топлива насосом.
Практический смысл нагрузочной характеристики заключается в том, что она дает возможность отыскать максимальный режим работы двигателя при данном числе оборотов.
В процессе снятия характеристики при га = const переход от одной опытной точки к другой, т. е. изменение нагрузки двигателя, можно получить либо подбором для каждого режима соответствующего винта, либо торможением двигателя с помощью тормоза, допускающего работу при разных числах оборотов и разных мощностях (балансирное динамо, гидротормоз).
Эффективная мощность, развиваемая двигателем, вначале равна нулю (Nе = 0), при этом двигатель работает вхолостую, и мощность, развиваемая в цилиндре, расходуется на преодоление вредных сопротивлений, т. е. в этот момент Nе — NT.
Регулировочные характеристики показывают влияние на мощность и экономичность двигателя параметров регулировки при постоянном числе оборотов, например зависимость мощности и расхода топлива от угла опережения подачи топлива и силы затяжки пружины, определяющих момент открытия форсунки, и др.
Указанные характеристики позволяют определить оптимальные условия регулировки двигателя, обеспечивающие наибольшую мощность, среднее эффективное давление, наименьший расход топлива при заданном числе оборотов коленчатого вала п и выходного вала реверс-редуктора пх. На рис. 2 и 3 приведены типовые внешние, винтовые и нагрузочные характеристики дизеля ЗД12.
Процесс приготовления горючей смеси из мелкораспыленного (испаренного) топлива и воздуха называется смесеобразованием.
Смесеобразование в двигателе внутреннего сгорания зависит от типа двигателя и способа смешения воздуха с топливом — вне двигателя или внутри рабочего цилиндра. В дизеле топливо смешивается с воздухом внутри цилиндра.
В бензиновых двигателях горючая смесь из топлива и воздуха получается вне двигателя в специальном приборе — карбюраторе.
Количество воздуха, необходимое для сгорания жидкого топлива, зависит от химического состава топлива.
Различные виды топлива нефтяного происхождения по химическому составу мало отличаются друг от друга, поэтому количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, практически можно считать одинаковым.
Теоретически для сгорания 1 кг нефтяного топлива требуется около 15 кг воздуха. Однако не у всех двигателей при таком соотношении между топливом и воздухом может быть обеспечено полное сгорание.
В карбюраторных двигателях соотношение между необходимым количеством топлива и воздуха наиболее близко к теоретическому— 1 : 16 или 1 : 14. В дизелях соотношение между количеством топлива и воздуха совсем иное — 1 : 25 или 1 : 35.
Отношение количества воздуха, затрачиваемого на сгорание 1 кг топлива, к количеству воздуха, которое теоретически необходимо для полного сгорания 1 кг топлива, называется коэффициентом избытка воздуха, который характеризует состав смеси.
Коэффициент избытка воздуха обозначается буквой а.
Режимы работы главного двигателя судовой дизельной энергетической установки, страница 7
Режимы совместной работы главного двигателя с ВФШ на
прямой передаче. При наличии ВФШ мощность, поглощаемая гребным винтом,
будет определяться формулой . Эффективная мощность
двигателя и частота вращения его коленчатого вала зависят от типа передач.
Допустимые режимы работы двигателя, нагружаемого ВФШ при различных условиях
использования ГЭУ, определяются путем совместного рассмотрения собственных характеристик
двигателя (внешней номинальной и частичных) и характеристик потребителя энергии
(винтовых характеристик).
В том случае, когда в системе прямой передачи крутящего момента
отсутствуют соединительно-разобщительные муфты скольжения, частота вращения гребного
вала на всех режимах работы пропульсивного комплекса изменяется прямо
пропорционально частоте вращения коленчатого вала двигателя. Крутящий момент
гребного винта , в рассматриваемом случае,
связан с эффективным крутящим моментом двигателя следующим соотношением:
Режимы совместной работы дизеля с ВФШ при жесткой механической
передаче показаны на рис. 2.4.
Кривая II представляет
собой номинальную винтовую характеристику, относящуюся к расчетным условиям
движения судна в полном грузу.
Кривые 1 и 2 – соответственно внешняя
номинальная и частичная скоростные характеристики дизеля, кривые III и IV – «утяжеленные» винтовые характеристики, кривая I –
винтовая характеристика при плавании судна в балласте.
Пересечение номинальной винтовой характеристики потребителя
с номинальной внешней характеристикой дизеля (точка А) определяет допустимую
нагрузку на двигатель и частоту вращения коленчатого вала (или
гребного винта).
Видно, что при работе по номинальной винтовой характеристике
перегрузка дизеля может иметь место только в случае превышения частоты вращения
коленчатого вала сверх номинальной. При других частотах вращения дизель
остается недогруженным, если не предусмотрен отбор мощности на дополнительные
нужды.
При плавании судна в балласте изменяется крутизна винтовой
характеристики.
Она становится «облегченной», что связано с уменьшением осадки
и, как следствие, со снижением сопротивления воды движению судна, а также с
изменением условий обтекания гребного винта набегающим потоком.
Поэтому, при
той же частоте вращения гребного винта, скорость судна возрастает, а относительная
поступь винта увеличивается по сравнению с расчетной.
В условиях эксплуатации довольно часто наблюдается, так называемое,
«утяжеление» винтовой характеристики (кривые III
и IV). Это может быть вызвано увеличением осадки судна,
обрастанием его корпуса и повышением его шероховатости, влиянием мелководья,
буксировкой воза, тралением, работой на швартовых.
При работе по «утяжеленной»
винтовой характеристике (см. рис.2.4, кривая III) допустимая нагрузка
определяется положением точки В при . Работе судна на
швартовых соответствует кривая IV; предельную нагрузку по ней определяет точка B’ при .
Точка Б’ при , соответствует
нагрузке на частичной характеристике двигателя.
Рис. 2.4. Режимы совместной работы дизеля с ВФШ
Изменение буксировочной мощности при увеличении осадки
судна может быть оценено по данным модельных испытаний, а изменение пропульсивного
КПД – по значениям гребного винта.
Обрастание корпуса судна и гребных винтов водорослями и
животными организмами особенно интенсивно происходит при плавании судна в
тропических водах. Это приводит к увеличению сопротивления воды движению судна и
снижению КПД гребного винта.
Аналогичное явление наблюдается при увеличении шероховатости
корпуса судна вследствие коррозии и износа обшивки. Обрастание и износ обшивки
корпуса судна приводят к повышению крутизны винтовой характеристики, а следовательно,
и к возможной перегрузке двигателя, если не предусмотреть снижения скорости судна.
Влияние обрастания и износа обшивки корпуса судна обычно оценивается по опытным
данным с учетом района плавания и срока последнего докования. При плавании на
мелководье и в узкостях возрастание сопротивления воды движению судна
вызывается повышением скорости потока воды, проходящей под судном и по его
бокам.
Это возрастание может быть соизмеримо с величиной полного сопротивления движению
судна при плавании на неограниченной воде.
Взаимодействие главного дизеля с гребным винтом и корпусом судна
Номинальная мощность — это наибольшая гарантируемая заводом-изготовителем эффективная мощность, которую двигатель может развивать длительное время при номинальной частоте вращения nном, температуре наружного воздуха to =200 С, давлении, равном 760 мм рт. ст., и относительной влажности φ =60%. Максимальная мощность дизеля — это эффективная наибольшая мощность, составляющая 110% номинальной и развиваемая в течение 1 ч с сохранением среднего индикаторного давления р, на уровне номинального и с превышением частоты вращения не более чем на 6% при тех же атмосферных условиях, которые заданы для номинальной мощности. В настоящее время в терминологии многих дизелестроительных заводов, в том числе и БМЗ, используют различные понятия мощности. Длительная максимальная мощность соответствует номинальной мощности дизеля при сохранении его допустимой напряженности (для выполнения нормативного времени рейса). Перегрузочная мощность соответствует максимальной. Длительная эксплуатационная мощность устанавливается с учетом эксплуатационных условий в пределах, обеспечивающих сохранение приемлемой тепловой и механической напряженности двигателя. Работа на этой мощности предотвращает перегрузку двигателя, обеспечивает минимальный износ и долговечность его деталей. Винтовые характеристики показывают зависимость между различными показателями двигателя и частотой вращения при положениях дозирующих органов, обеспечивающих равенство эффективной мощности двигателя и мощности, потребляемой винтом. Винтовые характеристики, кроме того, показывают зависимость между требуемой мощностью (крутящим моментом) для вращения гребного винта и частотой вращения. Винтовые характеристики могут быть построены на стенде при изменении мощности и крутящего момента по винтовому закону Ne = cn3; Мкр =
с1 n2, где с, с1 — постоянные коэффициенты; n —частота вращения двигателя, об/мин.
Результаты стендовых испытаний судового дизеля по винтовой, характеристике нельзя применять в эксплуатационных условиях, так как приведенная закономерность несколько нарушается из-за особенностей взаимосвязи элементов пропульсивного комплекса.
Более точно зависимость эффективной мощности двигателя и других его показателей от частоты вращения винта устанавливают на ходовых испытаниях для различных эксплуатационных условий. При этом снимают несколько винтовых характеристик для различных метеорологических, навигационных и производственных условий эксплуатации судна.
В этих условиях номинальная мощность дизеля может быть достигнута при скоростном режиме и величине среднего индикаторного давления, отличающихся от номинальных значений, полученных на стенде. Сопоставляя винтовые а, Ь, с, d и внешние Nе ном , Ne max характеристики (рис.
3), можно убедиться в том, что при номинальной частоте вращения (N e ном =100%) номинальная мощность двигателя (Nном = 100%) достигается только при работе по номинальной характеристике винта с. При «утяжелении» гребного винта (характеристика а) достижение номинальной мощности (точка 2) происходит при более низкой частоте вращения п2.
Но при этом дизель должен перейти через внешнюю характеристику номинальной мощности, из-за чего происходит его перегрузка по среднему индикаторному давлению pi. Для предупреждения такой перегрузки необходимо понизить частоту вращения (до значения п), что вызовет понижение мощности до величины Ne, (точка /).
При «облегчении» гребного винта (характеристика d) достижение номинальной мощности (точка 4) происходит при перегрузке двигателя (п4 >nном). Во избежание перегрузки требуется снижение его частоты вращения до номинального значения, при котором мощность снизится до величины Ne (точка 5).
Таким образом, в эксплуатации работа двигателя на номинальной мощности может привести к его перегрузке по тепловым и механическим показателям. Для обеспечения надежной работы двигателя в любых эксплуатационных условиях устанавливают допустимые границы нагрузок для всего диапазона изменений частоты вращения. Наиболее целесообразным методом установления таких границ является использование ограничительных характеристик, отражающих зависимость показателей двигателя от частоты
вращения при сохранении его тепловой и механической напряженности в допустимых пределах. Скоростная ограничительная характеристика может быть представлена в виде зависимости наибольшей допускаемой для длительной работы двигателя мощности Nе огр от его частоты вращения. Имея для данных условий эксплуатации винтовую характеристику Ь, можно определить предельные значения частоты вращения n3 и мощности Ne (точка 3, см. рис. 3) при допустимом значении всех параметров, характеризующих напряженность двигателя.
При эксплуатации вследствие изменения условий плавания при работе двигателя в длительном режиме и постоянном положении топливной рукоятки частота вращения может изменяться, вызывая изменение мощности.
Чтобы удостовериться, что ее значение не вышло за ограничительную характеристику, требуется определить среднее индикаторное давление и рассчитать развиваемую двигателем мощность.
Для упрощения контроля за нагрузкой двигателя целесообразно использовать ограничительные характеристики по среднему индикаторному давлению (рис. 4).
Ограничительная характеристика является линией, ограничивающей значение pi во всем диапазоне рабочей частоты вращения. Точки ограничительной характеристики, т. е. предельные значения pi для различной частоты вращения, рассчитывают из условия сохранения в допустимых пределах параметров тепловой и механической напряженности двигателя.
В связи с тем что допустимое значение pi, а следовательно, и допустимая мощность меняются в зависимости от температуры воздуха на всасывании, для каждого двигателя существует серия скоростных ограничительных характеристик по pi. Положение топливной рукоятки определяет цикловую подачу топлива, среднее индикаторное давление и, следовательно, нагрузку.
Так как при неизменном положении топливной рукоятки pi можно считать независимым от частоты вращения, то при ее понижении двигатель может оказаться перегруженным. Имея ограничительную характеристику pi=f(n), эту перегрузку можно сразу установить и, изменив положением топливной рукоятки цикловую подачу, а следовательно и pi, понизить нагрузку.
Допустим, двигатель работает в режиме, соответствующем точке 3 винтовой характеристики с. Изменение метеорологических условий привело к «утяжелению» винта, и при том же положении топливной рукоятки двигатель перешел в режим, соответствующий точке 3’ винтовой характеристики Ь в результате понижения частоты вращения до значения nз’.
Так как точка 3′ лежит выше ограничительной характеристики, то для устранения перегрузки необходимо снизить частоту вращения до значения n2, уменьшая подачу топлива (точка 2). При дальнейшем «утяжелении» винта необходимо снова уменьшить подачу топлива.
Имея для данного судна наиболее «тяжелую» винтовую характеристику, можно заранее
установить значение pi, при котором двигатель не будет перегружен в любых эксплуатационных условиях. На рисунке такое значение рi соответствует точке 1 и может быть принято за эксплуатационное значение, так как обеспечивает запас по тепловой и механической напряженности двигателя.
Развиваемая при этом мощность может быть названа эксплуатационной и определена как мощность, развиваемая в конкретных условиях плавания при постоянном значении pi, величина которого определяется для работы двигателя без перегрузки при наиболее тяжелых условиях плавания.
Величина эксплуатационной мощности не должна регламентироваться, поскольку она не постоянна, а определяется принятым средним индикаторным (или эффективным) давлением и скоростным режимом винта с определенной характеристикой, которая меняется в зависимости от конкретных условий эксплуатации [8].
Таким образом, эксплуатационная мощность обычно меньше номинальной и лежит в пределах 0,85—0,95 Nном. Имеющийся запас мощности повышает надежность двигателя, предотвращая повышение его напряженности до предельных значений при резком изменении внешних условий. Однако низкая мощность двигателя нежелательна, как и его перегрузка, так как ведет к снижению технико-эксплуатационных показателей энергетической установки и уменьшению скорости, а следовательно, производственных показателей работы судна.
Тема 4.2.3. Внешние характеристики
Внешние характеристики. Условия работы дизеля по внешней характеристике. Энергомеханические показатели, механическая напряженность и теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы.
Методические указания.
Внешние характеристики отражают изменения основных параметров и показателей работы судовых ДВС при постоянном положении органов регулирования топливных насосов высокого давления (ТНВД).
К основным параметрам и показателям относятся: температура и давление продувочного воздуха, давление в цилиндре в конце сжатия, максимальное давление сгорания, удельный расход топлива, температура отработавших газов, расход воздуха, содержание вредных веществ в отработавших газах.
При этом цикловая подача топлива изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (изменяется коэффициент наполнения). При этом частота вращения коленчатого вала изменяется от минимально устойчивого значения до максимального.
В стендовых условиях на заводе-изготовителе первые образцы вновь разработанных дизелей испытываются при нескольких положениях регулирующих органов, соответствующих определенной нагрузке достигаемой при номинальной или максимальной частоте вращения.
В соответствии с этим снимаются параметры работы дизеля соответствующее режимам максимальной мощности (превышение номинальной частоты вращения на 3 %), номинальной мощностью, эксплуатационной мощностью, экономической мощностью и других частичных режимов работы.
То есть внешние характеристики отображают поле возможных режимов работы дизеля. Реальная характеристика работы дизеля определяется в судовых условиях особенностью агрегата, потребляющего мощность.
Так если двигатель работает на электрогенератор то это будет нагрузочная (регуляторная) характеристика изменения мощности. При работе на винт фиксированного шага и спокойных внешних условиях двигатель работает по расчетной винтовой характеристике.
В условиях волнения моря изменяется сопротивление движению судна и поэтому при неизменном положении органов управления ТНВД двигатель переходит на работу по внешней характеристике.
При этом возможно превышение допустимых механических и тепловых нагрузок (при снижении частоты вращения). Так как при примерно постоянной цикловой подаче топлива увеличивается продолжительность цикла по времени.
По внешней характеристике в эксплуатации главный двигатель может работать из-за изменения сопротивления движению судна в штормовых условиях, плавании на мелководье, в узкостях и ледовых условиях.
Механический КПД в соответствии с уравнениями, приведенными, для режимов нагрузочной характеристики увеличивается при снижении частоты вращения. А тепловые и механические нагрузки возрастают. Поэтому в штормовых условиях необходимо уменьшать цикловую подачу топлива.
Студентам необходимо ознакомиться с особенностями изменения основных показателей работы дизеля по винтовой характеристике и возможными причинами перегрузок и, следовательно, снижения его надежности или возникновению аварии.
Литература: [1, с.25-28; 2, с.23-27; 4, с.193-197; 5, с. 144-149]
Вопросы для самопроверки
1. Дайте определение внешней характеристике работы судового дизеля.
2. Как изменяются энергоэкономические показатели при работе дизеля по внешней характеристике?
3. Как изменяется тепломеханическая напряженность дизеля при работе по внешней характеристике?
4. Причины перегрузки двигателя при работе в штормовых условиях.
Тема 4.2.4. Винтовая характеристика.
Винтовые характеристики. Изменения энергоэкономических показателей и показателей теплонапряженности на режимах винтовой характеристики. Влияние технического состояния. Обеспечение условий безопасной эксплуатации.
Методические указания.
Винтовые характеристики отражают изменения основных параметров и показателей работы судовых ДВС при работе двигателя на гребной винт.
К основным параметрам и показателям относятся: температура и давление продувочного воздуха, давление в цилиндре в конце сжатия, максимальное давление сгорания, удельный расход топлива, температура отработавших газов, расход воздуха, содержание вредных веществ в отработавших газах.
При работе по винтовой характеристике (прямая передача мощности на винт фиксированного шага) мощность изменяется пропорционально частоте вращения (примерно кубическая зависимость), а среднее эффективное давление – пропорционально квадратичной зависимости.
Одновременно изменяется и частота вращения и средне эффективное давление.
С увеличением нагрузки от холостого хода механический КПД увеличивается, одновременно повышаются цикловая подача топлива, максимальное давление сгорания, индикаторный КПД, температура отработавших газов, снижается удельный расход топлива. Увеличиваются тепловые и механические нагрузки.
- В случае применения винта регулируемого шага двигатель может работать как по винтовым характеристикам, так и по регуляторным за счет изменения шагового отношения гребного винта.
- Большое влияние на параметры и показатели работы дизеля оказывает изменение технического состояния основных элементов дизеля.
- В нормальных условиях эксплуатации изменение ряда параметров, характеризующих работу дизеля по винтовой характеристике, можно выразить следующими приближенными зависимостями для четырехтактных ДВС современных конструкций:
- — давление наддувочного воздуха
- Pk=1,41 – 2,04 +7 2- 2,37 , бар; (7)
- — температура отработавших газов
- tг=23,8 +400, oС; (8)
- — максимальное давление сгорания
- Pz=48 + 144 , бар; (8 )
- — удельный расход топлива
- be=231,6 – 106,6 + 2,86 2 +50,9 , г/кВт·ч; (9)
Оценку теплонапряженности дизеля производить как по косвенным показателям, так и по специальным. Косвенные показатели: среднее индикаторное давление Рi, положение указателя нагрузки (топливной рейки), температура выпускных газов за цилиндрами tг; температуры охлаждающей воды tв и масла tм.
В качестве специальных можно применить удельный тепловой поток, вычисляемый по одному из существующих методов, например [13, с.28], в котором приводится зависимость для расчета относительных потерь тепла в охлаждающую среду.
Тогда удельный тепловой поток будет равняться произведению цикловой подаче топлива на величину относительных потерь и топлотворность топлива деленную на суммарную площадь деталей ЦПГ (поверхность крышки цилиндра, втулки и донышка поршня).
При изучении темы студенту необходимо ознакомиться с закономерностями изменения параметров работы дизеля при работе на режимах винтовой характеристики, включая показатели тепловых и механических напряжений. При этом учесть влияние изменения сопротивления движению судна.
Литература: [1, с.31-42; 4, с. 199-204; 5, с.153-160]
Вопросы для самопроверки
1. Дайте определение винтовой характеристики судового ДВС.
2. Как изменяются энергоэкономические показатели при работе дизеля по винтовой характеристике?
3. Как изменяется тепломеханическая напряженность дизеля при работе по винтовой характеристике?
4. Основные категории опасностей при эксплуатации судовых ДВС по винтовой характеристике.
Принцип действия
Страница 3 из 3
ОСНОВНЫЕТЕОРЕТИЧЕСКИЕСВЕДЕНИЯ
Главными размерами двигателя внутреннего сгорания являются: диаметр цилиндра D, количество цилиндров i, ход поршня S. Кроме того, к основным данным, характеризующим двигатель, относятся: мощность, число оборотов, удельный расход топлива, а также его габаритные размеры (длина, ширина и высота между крайними точками) и сухой вес (без топлива, масла и воды).
Работа газов. Работа, совершаемая газами в цилиндре двигателя, называется индикаторной работой. Работа за один цикл равна произведению силы давления газов на площадь поршня и на величину хода поршня:
- где pi — среднее индикаторное давление газов, н/м2;
- F — площадь поршня, м2;
- S — ход поршня, м,
- или
- где VS — объем рабочего цилиндра
| Vs = FsS = (πD2/4)·S м3, | (7) |
причем, так как работа эквивалентна площади индикаторной диаграммы, ее можно назвать средней индикаторной работой, а величину pi — средним индикаторным давлением
т. е. средним индикаторным давлением называется такое условное постоянное давление, которое, перемещая поршень в течение хода расширения, производит работу, равную индикаторной работе цикла.
- Работа, полученная на конце коленчатого вала, называется эффективной работой двигателя. Она меньше индикаторной на величину работы, расходуемой двигателем на преодоление сопротивлений:
- где Lm работа сопротивлений, называемая обычно работой механических потерь двигателя.
- Эффективную работу по аналогии с индикаторной можно выразить в виде
где. ре — среднее эффективное давление.
https://www.youtube.com/watch?v=MCL-kk8rs8Q\u0026t=316s
Таким образом, среднее эффективное давление представляет собой величину, при умножении которой на рабочий объем цилиндра Vs получают эффективную работу за цикл. Эта величина также является условной, но в отличие от рe характеризует некоторую среднюю величину давления, пропорциональную полезной работе двигателя.
При неизменных оборотах коленчатого вала величина ре для данного двигателя зависит от величины, передаваемой на привод мощности. Чем больше передаваемая мощность, тем больше среднее эффективное давление.
Следовательно, ре определяет степень загруженности данного двигателя. Каждый двигатель может развивать определенное среднее эффективное давление, которому соответствует определенная мощность. В соответствии с наивыгоднейшим ре заводом устанавливается номинальная мощность двигателя, которая гарантируется для работы на определенных оборотах коленчатого вала.
Мощность двигателя является основной его характеристикой. Выражается она в киловаттах.
- Работа, совершаемая газами во всех цилиндрах в единицу времени, называется индикаторной мощностью двигателя, а соответствующая ей мощность, развиваемая двигателем на конце коленчатого вала и отдаваемая силовой передаче (на электрогенератор, приводной ремень, гребной винт) — эффективной, или действительной, мощностью двигателя. При этом
- где Ne — эффективная мощность; Ni, — индикаторная мощность; Nm,- мощность механических потерь, затрачиваемая на преодоление сопротивлений.
- Если двигатель делает п оборотов в секунду, то индикаторная мощность двигателя, имеющего i цилиндров, будет равна
| Ni = (piπD2Sni/4·103z) кВт, | (12) |
- где D — диаметр цилиндра, м; S- ход поршня, м; n — число оборотов вала в секунду; i- число цилиндров; рi — среднее индикаторное давление, н/мг; z — коэффициент тактности, показывающий, во сколько раз число оборотов вала больше числа циклов за один и тот же промежуток времени.
- Приведенная формула справедлива для четырех- и двухтактных двигателей, причем для двухтактного двигателя простого действия z=1, для двухтактного с противоположно движущимися поршнями z = 0,5, а для четырехтактного z = 2.
- Произведение (πD2/4)·S представляет собой величину рабочего объема цилиндра. Поэтому можно записать:
| Ni = (piVhni/103z) кВт, | (13) |
Аналогично выразится и эффективная мощность четырех-и двухтактного двигателей:
| Ne = (peVhni/103z) кВт, | (14) |
где ре — среднее эффективное давление, н/м2.
В двигателях внутреннего сгорания работа совершается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Преобразование его в индикаторную работу неизбежно связано с потерей части тепла. Величина, показывающая, какая доля от всего тепла преобразована в индикаторную работу в цилиндре двигателя, называется индикаторным коэффициентом полезного действия и представляет собою отношение
где В — секундный расход топлива, кг/сек;
QHP- низшая теплота сгорания топлива, кдж/кг.
Значения и. к. п. д. для разных двигателей составляют:
- двухтактные дизели 0,35-0,50
- четырехтактные дизели 0,42-0,50
- карбюраторные двигатели 0,30-0,35
Эффективный к. п. д. ηe представляет собою отношение тепла, превращенного в работу на валу двигателя, ко всему затраченному теплу:
Значение ηe может быть также определено по формуле
Эффективный к. п. д. для различных двигателей имеет следую-щие значения:
- дизели тихоходные 0,32-0,39
- дизели быстроходные 0,32-0,41
- карбюраторные двигатели 0,25-0,30
Для определения эффективной мощности надо от величины индикаторной мощности отнять часть мощности, расходуемой на трение в двигателе, что может быть достигнуто умножением на величину механического к. п. д.:
где ηm — механический к. п. д. двигателя.
Аналогично и
Удельный расход топлива. Оценка экономичности двигателя внутреннего сгорания может быть произведена непосредственно по количеству топлива, затрачиваемого на получение полезной работы в единицу времени. Для этого введено понятие секундного расхода топлива на 1 квт ge, являющегося отношением количества топлива Ge к полезной мощности Ne двигателя:
Чем совершеннее двигатель и чем лучше преобразуется в нем энергия топлива в полезную механическую работу, тем меньше удельный расход топлива.
На величину удельного расхода топлива значительно влияет степень сжатия: чем больше степень сжатия, тем меньше удельный расход топлива. Поэтому у дизелей удельный расход топлива значительно меньше, чем у карбюраторных двигателей, т. е. дизели экономичнее последних.
Тепловой баланс. В полезную эффективную работу обычно превращается лишь 25-41% тепла, получаемого в результате сжигания топлива в двигателе; остальная часть энергии сжигаемого топлива теряется в процессе работы двигателя.
- Тепловой баланс характеризует распределение и потери тепла, вносимого в двигатель с топливом.
- Количество тепла, распределяющееся по различным составляющим теплового баланса, подсчитывают в джоулях.
- Уравнение внешнего теплового баланса имеет следующий вид:
| Q = Qe+Qв+Qв. г+Qн. с+Qост кДж, | (21) |
- где Q — тепло израсходованного топлива в двигателе;
- Qe — тепло, использованное на полезную эффективную работу двигателя;
- Qв — тепло, унесенное с охлаждающей водой;
- Qв. г — тепло, унесенное с выхлопными газами;
- Qн.с — тепло, получаемое при неполном сгорании;
- Qост — так называемый остаточный член баланса, равный сумме всех неучтенных потерь теплоты. При определении величины теплового баланса в процентах уравнение будет иметь вид:
| q = qe+qв+qв. г+qн. с+qост кДж, | (22) |
В данном случае каждое слагаемое в левой части уравнения представляет собой количество тепла в процентах по отношению ко всему теплу Q, т.е.
qe = (Qe/Q)·100;
| qв = (Qв/Q)·100 и т.д.; | (23) |
Располагаемое тепло Q практически определяют по низшей теплоте сгорания топлива QHP и секундному расходу топлива Gс кг/ч:
Тепло, использованное на полезную эффективную работу дизеля за 1 сек
На рис. 12 представлена диаграмма теплового баланса дизеля с наддувом.
Характеристики двигателей. Характеристиками двигателя называются кривые, определяющие зависимость мощности и крутящего момента от показателей числа оборотов вала, нагрузки, расхода топлива и т. д.
Характеристики составляются при испытаниях двигателя на стенде и загрузке его тормозом (гидравлическим, электрическим) либо винтом и используются для оценки двигателя при выборе его для силовой установки.
Различают характеристики: скоростные, нагрузочные и регулировочные. На последних мы не будем останавливаться, поскольку они различны для разных типов двигателей и не имеет практического смысла останавливаться на этом достаточно подробно.
Скоростные характеристики определяют зависимость мощности или крутящего момента от числа оборотов двигателя. Различают внешние и винтовые скоростные характеристики.
Внешние характеристики двигателя — это кривые зависимости максимальной мощности или крутящего момента от числа оборотов двигателя при наибольшей подаче топлива. Так как внешняя характеристика относится к работе двигателя при максимально допустимой подаче топлива, то она дает значения наибольших мощностей, которые можно получить от двигателя на разных числах оборотов.
Построив зависимость мощности трения от числа оборотов и взяв разность между индикаторной мощностью и мощностью трения при различных числах оборотов, можно получить кривую изменения Ne по числу оборотов.
Эффективная мощность всегда имеет максимальное значение при числе оборотов меньшем, чем то, при котором получается максимальное значение индикаторной мощности. Этот сдвиг максимальных мощностей объясняется уменьшением ηm по числу оборотов.
Увеличивая число оборотов, можно получить такой режим двигателя, при котором мощность трения окажется равной индикаторной мощности, а эффективная мощность будет равна нулю. Однако работа двигателя при числе оборотов, большем расчетного n, соответствующего максимальному значению эффективной мощности, конечно, нецелесообразна.
Зависимость ре от числа оборотов n можно получить по формуле
Винтовыми характеристиками двигателей называются кривые зависимости мощности или крутящего момента от числа оборотов двигателя, работающего на гребной винт.
Мощность, поглощаемая винтом, изменяется пропорционально кубу числа оборотов, т. е.
Мощность двигателя, нагруженного винтом, при каждом числе оборотов равна мощности, поглощаемой винтом, поэтому
Таким образом, эффективная мощность двигателя по винтовой характеристике изменяется так же, как и мощность, поглощаемая винтом, т. е. пропорциональна кубу числа оборотов.
Так как эффективная мощность двигателя по внешней характеристике меняется по другому закону, то двигатель, нагруженный винтом, при изменении числа оборотов должен регулироваться изменением положения дросселя в карбюраторных двигателях или подачей топливного насоса в двигателях с самовоспламенением.
Для двигателя при данном винте число оборотов nmax является максимально возможным. Этому числу оборотов соответствует максимальная мощность двигателя Nmax. При числе оборотов n > nmax двигатель работать не может, так как при этом эффективная мощность двигателя (по внешней характеристике) растет медленнее, чем мощность, поглощаемая винтом (по винтовой характеристике).
При числе оборотов n < nmax мощность, поглощаемая винтом, оказывается меньше чем эффективная мощность двигателя при полностью открытом дросселе или полной подаче насоса. Поэтому при таких числах оборотов работа двигателя возможна только при соответствующем дросселировании или уменьшении подачи топлива.
Нагрузочные характеристики двигателя определяют связь между какими-либо параметрами, оценивающими работу двигателя, и параметрами нагрузки, например между секундным расходом топлива с эффективной мощностью или средним эффективным давлением при постоянном числе оборотов. Обычно нагрузочные характеристики выражают зависимость расхода топлива или температуры отработавших газов от эффективной мощности двигателя.
Изменение мощности двигателя при постоянном числе оборотов достигается дросселированием свежей смеси или изменением подачи топлива насосом.
Практический смысл нагрузочной характеристики заключается в том, что она дает возможность отыскать максимальные режимы работы двигателя на данном числе оборотов.
В процессе снятия характеристики при n=const переход от одной опытной точки к другой, т. е. изменение нагрузки двигателя, можно получить либо подбором для каждого режима соответствующего винта, либо торможением двигателя с помощью тормоза, допускающего работу при разных числах оборотов и разных мощностях (балансирное динамо, гидротормоз).
Эффективная мощность, развиваемая двигателем, в начале Ne = 0, при этом двигатель работает вхолостую, и мощность, развиваемая в цилиндре, расходуется на преодоление вредных сопротивлений, т. е. в этот момент Ne = NТ.
Так как мощность трения по нагрузочной характеристике (n=const) может считаться постоянной, то индикаторная мощность Ni возрастает с увеличением нагрузки по прямой, параллельной Ne и отстоящей от прямой Ne на одну и ту же величину мощности трения NТ.
Постоянство мощности трения по нагрузочной характеристике приводит к увеличению механического к. п. д. с нагрузкой.
Действительно,
| ηm = Ne/Ni = Ne/(Ne+NТ) | (29) |
Так как NТ = const, а Ne увеличивается с нагрузкой, то числитель выражения механического к. п. д. растет быстрее знаменателя, ηm с увеличением нагрузки увеличивается. При малых нагрузках ηm резко увеличивается, а при больших темп возрастания механического к.п.д. значительно уменьшается.
Загрузка...
