Характеристики энергетических установок для транспортной техники
advertisement
Лекция №11 Характеристики энергетических установок для транспортной техники Силовые агрегаты в виде двигателей внутреннего сгорания используют в различных отраслях промышленности, на машинах сельского хозяйства, строительства и транспорте. Энергия силовых агрегатов используется в самом широком диапазоне изменения потребляемой мощности, с учетом их возможностей и режима работы. Мощность и скоростной режим работы двигателя регулируется для двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием дроссельной заслонкой. Для дизельных двигателей мощность и скоростной режим регулируется изменением цикловой подачи топлива и топливным насосом. Каждому положению органа управления соответствует конкретное значение мощности при определенном значении частоты вращения коленчатого вала. В том числе, значение мощности при определенном положении органа управления зависит от частоты вращения коленчатого вала. В данном случае скоростной режим работы двигателя регулируется или определяется в зависимости от загрузки двигателя со стороны потребителя (тормозная нагрузка). Технические характеристики двигателей, изменение мощности, крутящего момента, часового и удельного расхода топлива в зависимости от положения органа управления, частоты вращения коленчатого вала, определяют его возможности и использование при эксплуатации в различных условиях загрузки или устанавливают соответствие силового агрегата к эксплуатационным характеристикам машин потребителей, составной частью которых сам двигатель является. Технические характеристики двигателей устанавливаемые на транспортных машинах определяют их ходовые качества и эксплуатационные характеристики. В реальной практике, двигатель подбирают или проектируют для обеспечения ходовых и тяговых характеристик транспортной единицы. Такую возможность можно получить только при снятии и построении основных характеристик двигателей. К ним относятся скоростная и нагрузочная характеристики двигателя. Для оценки топливно-экономических характеристик двигателей снимаются регулировочные характеристики двигателя по составу смеси и характеристики по углу опережения зажигания. Такие характеристики позволяют установить оптимальный диапазон изменения состава смеси и изменения опережения зажигания для обеспечения получения максимальной мощности для заданного режима работы или обеспечения высоких показателей по топливной экономичности. Кроме установления показателей практического значения, технические характеристики двигателей позволяют провести анализ совершенства его конструкции, организации рабочего цикла и прорабатывать дополнительные изменения в его конструкции, комплектование дополнительными устройствами в системе питания, зажигания, наполнения и выпуска при использовании которых удается добиться более высоких показателей двигателя. Технические характеристики двигателей во многом определяются совершенством конструкции и характеристиками основных агрегатов или узлов системы питания. К таким агрегатам относятся характеристики карбюраторов для двигателей с внешним смесеобразованием или характеристики топливных насосов для дизельных двигателей. Анализ совершенства организации рабочего цикла проводится на основе термодинамического анализа индикаторных диаграмм записанных при экспериментальных исследованиях. Определение характеристик двигателя, агрегатов системы питания и снятия индикаторных диаграмм обычно проводят в лабораторных условиях при испытаниях. Характеристика по нагрузке Теоретические основы. В процессе эксплуатации автомобиля двигатель работает при переменных нагрузках, которые складываются из дорожного сопротивления движению и степени загруженности автомобиля. С учетом складывающихся условий, двигатель должен обеспечить соответствующий крутящий момент и необходимую мощность. В зависимости от нагрузочного режима работы двигателя существенно изменяется его топливная экономичность, токсичность отработавших газов и ряд других показателей. Анализ выполняется на основе результатов нагрузочной характеристики, снятой в лабораторных условиях. Нагрузочная характеристика двигателя представляет собой зависимость основных его показателей (GТ, Me, v, ge) от развиваемой им мощности. Регистрируются и другие представляющие интерес показатели. С учетом особенностей и целенаправленности экспериментальных испытаний различают нагрузочные характеристики 2-х типов: -идеальная нагрузочная характеристика с оптимальным регулированием систем двигателя по экономичности (Н.Х.О.Р.); -реальная нагрузочная характеристика - снятие выходных параметров проводится без дополнительных регулировок систем двигателя. Для идеальной нагрузочной характеристики двигателя на каждой точке режима работы подбирают оптимальные значения опережения зажигания, состава смеси и других параметров, которые в сумме обеспечивают наименьшие значения удельного расхода топлива. Такие характеристики снимают при исследованиях по доводке двигателя и оценке степени совершенства его рабочего процесса. Реальные характеристики позволяют: а) определить режимы работы двигателя, обеспечивающие более высокие мощностные и экономические показатели; б) произвести оценку правильного выбора и установки регулировок систем двигателя и степень их приближения к характеристике с оптимальным регулированием; в) получить реальные значения топливно-экономических и токсических показателей транспортного средства при заданных условиях движения. Мощность теплового двигателя определяется количеством тепловой энергии, поступающей в объем цилиндров двигателя за единицу времени, и эффективностью ее превращения в механическую работу . Ì å, í ì 70 60 50 40 Ìå ã gå êâòÄ÷ 750 700 650 30 20 10 h v 0.8 h v 0.7 gå 0.6 0.5 0.4 0.3 a 1.1 600 500 400 350 300 250 a 1.0 0.9 5.0 10 15 20 Ne êÂò Рисунок 15 – Нагрузочная характеристика двигателя ВАЗ – 21081 Карбюраторные двигатели с искровым зажиганием могут работать в относительно узком диапазоне изменения состава смеси ( = 0,7…1,2). Повышение или снижение необходимой мощности при снятии нагрузочной характеристики для таких двигателей достигается изменением положения дроссельной заслонки. Изменение состава смеси используется для обеспечения надежного воспламенения и повышения топливной экономичности. Анализ характеристики двигателя при изменении нагрузки Прежде чем приступить к анализу нагрузочной характеристики карбюраторного двигателя напомним изменение параметров и факторов, определяющих условия протекания рабочего процесса. Изменение мощностного режима двигателей с внешним смесеобразованием регулируется количеством поступающей смеси. С уменьшением наполнения рабочего объема цилиндра двигателя снижаются параметры физических условий воспламенения и протекания сгорания рабочей смеси. При малых нагрузках концентрация (содержание) остаточных газов в составе рабочей смеси достигает 25-30 %. С учетом перечисленных факторов возрастание удельного расхода топлива, т.е. ухудшение топливной экономичности двигателя при низких значениях нагрузки объясняется следующими причинами: 1) Индикаторная мощность, вырабатываемая двигателем расходуется для совершения эффективной работы (эффективная мощность – Nе) и привод основных и вспомогательных механизмов двигателя (мощность механических потерь - Nм). Мощность, затрачиваемая на преодоление механических сопротивлений (мощность механических потерь - Nм), при n = const остается постоянной, но существенно возрастает ее доля по мере перехода к работе двигателя на более низкие нагрузки. Соответственно, по мере снижения внешней загрузки двигателя и уменьшением необходимой индикаторной и эффективной мощности, доля общего расхода топлива, которая расходуется на преодоление механического сопротивления и привода основных и вспомогательных механизмов двигателя увеличивается. В краткой форме, основной причиной повышения удельного расхода топлива является снижение механического к.п.д. при использовании индикаторной мощности. 2) Уменьшение массы свежей смеси при снижении нагрузки, соответственно, сопровождается возрастанием в составе рабочей смеси содержания остаточных газов. Повышение концентрации остаточных газов затрудняет воспламенение смеси. Для обеспечения стабильной работы двигателя при низких нагрузках, в системе питания предусматривается дополнительная подача топлива, с обогащения состава смеси = 0,75...0,85. Подача дополнительного топлива и вызывает повышения его расхода. 3) Увеличение удельного расхода топлива происходит также из-за ухудшения физико-химических условий протекания процесса сгорания. Пониженные значения давлений и температур в конце сжатия, разбавление смеси остаточными газами вызывает снижение динамики протекания процесса сгорания и сопровождается его переносом на такт расширения, с дополнительными тепловыми потерями в стенки цилиндра и с отработавшими газами. Увеличение опережения зажигания по мере снижения нагрузки вакуумным корректором опережения зажигания лишь сдерживает снижение эффективности использования теплоты, но не может полностью компенсировать перенос сгорания и тепловые потери. По мере увеличения степени открытия дроссельной заслонки условия протекания улучшаются, изменяется соотношение затрат топлива на преодоление механических сопротивлений, исчезает необходимость обогащения смеси и появляются условия эффективного использования бедных смесей. Все это способствует резкому улучшению топливной экономичности уже при средних нагрузках и достижения минимального удельного расхода топлива - при нагрузке 75-85 % и составе смеси = 1,121,17. При 100 % открытии дроссельной заслонки есть необходимость получить максимальную мощность. Система питания двигателя оборудована системой экономайзера для обогащения смеси, при которой обеспечивается полное использование кислорода воздуха в ущерб экономичности двигателя. Удельный расход топлива вновь несколько возрастает. Характеристика по частоте вращения Теоретические основы. Основной задачей при снятии и анализе скоростной характеристики является изучение влияния физико-химических, газодинамических условий на мощностные и топливно-экономические показатели двигателя при изменении частоты вращения коленчатого вала. Скоростной характеристикой двигателя называется зависимость изменения мощности - Ne, крутящего момента – Me , часового - GT и удельного расхода топлива -ge от частоты вращения коленчатого вала, рисунок 8. Результаты полученные при полном открытии дросселя представляются как внешняя скоростная характеристика. Внешняя характеристика снятия с подбором состава смеси, обеспечивающем максимальную мощность для каждого скоростного режима, называется скоростной абсолютной внешней характеристикой. Она определяет предельные значения выше перечисленных показателей при каждом значении частоты вращения. Характеристики, снятые при частичном открытии дросселя (20 % ...75 %) называют скоростными частичными характеристиками. Анализ результатов испытаний. Для упрощения анализа вначале определимся с характером изменения показателей рабочего цикла Ne, v, Me, ge как определяющие выходные мощностные и топливно-экономические показатели двигателя, при изменении частоты вращения коленчатого вала. Коэффициент наполнения - v, как фактор определяющий мощностные показатели двигателя, имеет сложную зависимость от большого количества режимных параметров. При увеличении частоты вращения возрастают суммарные гидравлические сопротивления в элементах впускной системы. Этот фактор определяет общую тенденцию снижения коэффициента наполнения при повышении частоты вращения. Для высокооборотных двигателей легковых автомобилей такого максимума добиваются при более высоких значениях частоты вращения, (0.7...0.8) nN. При отклонении оптимальной по наполнению частоты вращения коэффициент наполнения снижается. Ne êÂò 28.0 26.0 24.0 22.0 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 h v 0.84 0.82 0.78 a1.1 1.0 Ne Ìå Ì å íì 75 70 65 ã ge êâòÄ÷ ge 350 325 300 h v a 0.9 1500 2000 2500 3000 3500 4500 n ì èí - 1 Рисунок 8 Скоростная характеристика карбюраторного двигателя Двигатель ВАЗ-21081. Нагрузка 100%. Кроме коэффициента наполнения, определяющего общую индикаторную мощность, эффективный крутящий момент и значение эффективной мощности, удельный эффективный расход топлива во многом определяется механическим к.п.д. Согласно зависимости Pм = 0,035 + 0,013Сп , потери энергии на преодоление механических сопротивлений возрастают пропорционально возрастанию скорости перемещения поршня с учетом частоты вращения коленчатого вала двигателя. Таким образом, характер протекания кривой эффективной мощности показывает, что в начальный период, мощность двигателя возрастает пропорционально повышению частоты вращения и, соответственно, частоты совершения рабочих циклов. Возрастание механических потерь в какой-то степени компенсируется повышением коэффициента наполнения. На втором участке интенсивность повышения мощности снижается, ее повышение сдерживается снижением механического к.п.д. и снижением коэффициента наполнения. При этом характер отклонения у каждого двигателя не идентичен. Он зависит от качества сборки двигателя, совершенства организации системы смазки, ширины диапазона достижения максимальных значений наполнения. На третьем участке Ne = (n) падение мощности объясняется снижением механического к.п.д. и коэффициента наполнения. Удельный расход топлива ge при изменении частоты вращения меняется незначительно, хотя и имеет хорошо выраженный минимум при определенном значении nge min. Увеличение удельного расхода при низких значениях частоты вращения объясняется ухудшением условий протекания сгорания, пониженной турбулизацией заряда и хорошо отражается понижением значений v и . При высоких значениях частоты вращения повышение удельного расхода топлива объясняется повышением расхода энергии на преодоление механических сопротивлений, т.е. понижением механического к.п.д. двигателя. Снижение мощностных и топливно-экономических показателей при повышенных значениях частоты вращения в определенной мере включает и дополнительные потери теплоты связанные с переносом процесса сгорания на такт расширения, в связи с сокращением промежутка абсолютного времени отводимого на рабочий цикл. Характеристика по составу смеси Теоретические основы. Цель работы: изучение влияния физикохимических условий и состава смеси на мощностные и топливноэкономические показатели двигателя. Экспериментальные результаты, оценивающие характер изменения основных мощностных и топливно-экономических показателей работы двигателя при изменении состава смеси при постоянной частоте вращения, положении дроссельной заслонки и оптимальном тепловом режиме работы двигателя называют регулировочной характеристикой по составу смеси. Состав смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха - альфа. Состав смеси, где на каждый килограмм поступающего топлива приходится 15 кг воздуха, называют стехиометрической, = 1.Смеси, с содержанием топлива меньше, чем предусматривается стехиометрическим соотношением, называются бедными (>1). Смеси, в составе которых топлива содержится больше, чем это определено стехиометрическим соотношением (1:15), называются богатыми (<1). Таким образом, изменение состава смеси определяется изменением количества подаваемого топлива, т. е. путем изменения положения регулировочных винтов или условий истечения топлива. Анализ регулировочной характеристики по составу смеси Прежде чем приступить к анализу и оценке мощностных и экономических показателей работы двигателя, отметим изменение теплотехнических и физико-химических характеристик топливно-воздушной смеси в зависимости от ее состава. Изменение состава смеси происходит путем регулирования количества подаваемого топлива на заданном скоростном и нагрузочном режиме работы двигателя. Это приводит к изменению количества теплоты Qц, которое может выделиться при сгорании определенного количества смеси заполняющего рабочий объем цилиндра двигателя. Теоретически более полное сжигание топлива и большее выделение теплоты достигается при использовании смеси стехиометрического состава = 1. При использовании бедных смесей > 1, с уменьшением количества топлива, уменьшается и количество теплоты выделяющейся в процессе сгорания. При использовании богатых смесей (<1) количество вступающего в реакции окисления топлива, теоретически ограничивается количеством содержащего в смеси кислорода. Так как, в процессе работы двигателя на заданном скоростном и нагрузочном режиме, масса циклового заряда воздуха практически остается постоянной, следовательно, и количество теплоты подводимой в процессе сгорания должно оставаться постоянным, соответствующее Qц при = 1, с предполагаемым недоиспользованием избыточного топлива и его теплоты в рабочем процессе из-за химической неполноты сгорания. Ne êÂò 24 22 20 18 Ne 16 ã gå êÂò Ä ÷ 375 350 gå 325 300 275 250 225 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 a Рисунок 9 – Регулировочная характеристика по составу смеси Двигатель ВАЗ-21081. N=3000об/мин. Нагрузка 100%. Количество топлива и теплоты подводимой к рабочему телу за единицу времени определяет мощностные показатели двигателя. Таким образом, теоретически мощность будет уменьшаться только при использовании бедных смесей ( > 1). При использовании обогащенных смесей мощностные показатели не должны существенно изменяться. И, наоборот, при оценке экономических показателей, использование богатых смесей предполагает существенное их снижение и практически не должно сказываться при использовании обедненных и бедных смесей. Однако, с учетом особенностей протекания рабочего процесса в реальных условиях двигателя такие мощностные и экономические зависимости не реализуются. Реальное положение требует необходимости экспериментального снятия целого ряда регулировочных характеристик для каждой модели двигателя при его доводке в стадии проектирования и оценке мощностных и экономических показателей в целом. На рисунке 9 представлена регулировочная характеристика карбюраторного двигателя по составу смеси снятая при положении открытия дросселя 100 % и частоте вращения n = 2400 об/мин. Изменение состава сме- си достигалось путем изменения сечения главного жиклера карбюратора. Анализ кривой изменения мощности Ne = f () показывает, что максимального значения мощности при заданном режиме работы удалось получить при = 0.80 – 0.95, т.е. при обогащении смеси. Это объясняется следующим: 1) избыток концентрации топлива для получения максимальной мощности необходим для компенсации неидеального перемешивания частиц топлива и воздуха (нарушение гомогенности смеси) и компенсации содержания отработавших газов; 2) несколько повышенная концентрация топлива обеспечивает надежность сохранения цепочки более полного и быстрого окисления с меньшими тепловыми потерями; 3) при обогащении смеси несколько увеличивается коэффициент действительного молекулярного изменения - д (отношение количества молей продуктов сгорания к количеству молей свежей смеси). При обеднении смеси мощность двигателя уменьшается, из-за уменьшения содержания топлива в смеси и, соответственно, количества теплоты подводимой к рабочему телу за единицу времени. Снижение мощности при пере обогащении смеси Ne = f () происходит из-за перенасыщения смеси частицами топлива и недостатка кислорода. Это в конечном итоге приводит к не завершению и остановке реакции окисления углерода на 1 стадии с образованием СО (2С + О 2 = 2СО) и недовыделением большой части теплоты полного окисления. Причиной этому является также незавершенность реакции окисления и других промежуточных соединений, хотя они и обладают более высокой химической активностью. Повышенные значения удельного расхода топлива g e = f () при использовании обогащенных и богатых смесей объясняется нарушением химического соотношения концентрации топлива и воздуха, что приводит к химическому недовыделению теплоты в результате недостатка окислителя. По мере обеднения смеси и повышения обеспечения каждой частицы топлива кислородом - воздуха, окисление его становится более гарантированным и полным в отношении выделения всего количества теплоты и высокой эффективностью ее использования. В данном случае этого удается достигнуть при = 1,13 – 1,15, когда на каждые 15 кг воздуха подается 0,85...0,9 кг топлива. При глубоком обеднении смеси до = 1,2 повышение удельного расхода топлива происходит в связи с ухудшением процесса воспламенения, с появления пропусков и гашения пламени. Такой анализ показывает, что регулировки карбюратора, коррекция работы его узлов должны обеспечить изменение состава смеси в пределах от = 0,95 до = 1,15, с учетом изменения режима работы двигателя и обеспечения допустимой концентрации токсичных компонентов в отработавших газах.
