Условия работы и характеристики двигателей
advertisement
ЛЕКЦИЯ 15 Условия работы и характеристики двигателей . Устойчивость и автоматическое регулирование частоты вращения Устойчивость режима работы двигателя Установившиеся режимы и устойчивость режима работы двигателя. Режимы работы двигателя могут быть установившимися и неустановившимися. Установившимися режимами называют такие, при которых параметры, характеризующие работу двигателя (Мк, п и др.), с течением времени не изменяются. При установившемся режиме работы крутящий момент двигателя Мк равен моменту сопротивления потребителя энергии Мс Мк = Мс, (15.1) при отсутствии внешней нагрузки Мi – Mм.п = 0; рi – pм.п = 0. (15.2) Уравнения (15.1) и (15.2) и подобные им для других параметров, характеризующих работу двигателя, называют уравнениями статического равновесия. При неустановившемся режиме двигатель вырабатывает энергию, большую или меньшую той, которая необходима для преодоления внешней нагрузки или в случае холостого хода — механических потерь. Под устойчивостью режима работы понимают способность системы двигатель — потребитель восстановить равенство их крутящих моментов при изменении частоты вращения. Предположим, во время работы двигателя на установившемся режиме по какимто причинам произошло увеличение частоты вращения на величину . При устойчивом режиме работы двигателя М'с>M'к и двигатель будет уменьшать частоту вращения, возвращаясь в исходное состояние. При неустойчивом (без регулятора) режиме работы двигателя подобное увеличение частоты вращения на приведет к Мк>М'с и двигатель будет увеличивать частоту вращения (двигатель «идет в разнос»). В случае уменьшения частоты вращения на в зависимости от крутизны характеристики Mк = f(n) двигатель или дальше уменьшает частоту вращения и останавливается (рис. 15.1, б), или возвращается в исходное состоящее (рис. 15.1, а). Рис. 15.1. Устойчивость режимов работы двигателя под нагрузкой: а – устойчивый; б – неустойчивый (без регулятора) На рис. 15.2 приведены аналогичные примеры устойчивой (а) и неустойчивой (б) работы двигателя на режиме холостого хода. Устойчивость режимов работы двигателя можно оценить количественно. Она зависит от разности моментов сопротивлений и крутящего момента, вызванной определенным отклонением угловой частоты вращения коленчатого вала двигателя и количественно оценивается фактором устойчивости: Fд М с М к / . Рис. 15.2. Устойчивость режимов холостого хода: а – устойчивый; б – неустойчивый (без регулятора) Необходимость установки на двигатели автоматических регуляторов частоты вращения. Устойчивость режима определяется, как это видно из рис. 15.1, формой кривой зависимости крутящего момента от частоты вращения. Известно, что характер зависимости Мк от частоты вращения определяется комплексом . В карбюраторных двигателях с искровым зажиганием наиболее значимым фактором воздействия на Мк при неизменном положении дросселя является . Особенно резко падает наполнение двигателя и Мк с увеличением п при сильно прикрытой дроссельной заслонке, как это показано на рис. 15.3, а. Рис. 15.3. Скоростные характеристики: а – двигателя с искровым зажиганием при различных величинах открытия дроссельной заслонки (Др): Др1> Др2> Др3> Др4> Др5> Др6; б – дизеля при различных величинах активного хода плунжера (hакт): hакт1> hакт2> hакт3> hакт4> hакт5> hакт6 В дизелях основным фактором, определяющим повышение Мк с ростом п, является снижение вследствие увеличения цикловой подачи Vц. Увеличение Мк, дизеля с повышением п особенно заметно при малых активных ходах плунжера (рис. 15.2, б). Таким образом, сравнение зависимостей Мк от частоты вращения показывает, что скоростные характеристики двигателя с искровым зажиганием обеспечивают большую устойчивость по сравнению с дизелем. Особенно велико различие на режимах малых подач смеси или топлива. В двигателе с искровым зажиганием внезапное снятие внешней нагрузки сопровождается меньшим относительным увеличением п (рис. 15.3, а). В связи с этими обстоятельствами двигатели с. искровым зажиганием эксплуатируются или без регулятора, или с ограничителем частоты вращения (предельным регулятором). В дизеле внезапное снятие внешней нагрузки при всех положениях регулирующего органа приводит к сравнительно большому увеличению частоты вращение. При частоте вращения выше nн не только увеличиваются механические и тепловые нагрузки, но и ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания, а также повышается выброс дыма. Режимы холостого хода и малых нагрузок могут быть мало устойчивыми ( Fд 0 ) или вообще неустойчивыми ( Fд 0 ). Поэтому на транспортные дизели следует устанавливать регуляторы, работающие по крайней мере на двух скоростных режимах: предельном и минимальном. Устойчивость двигателя необходима и при работе на внешней скоростной характеристике. Важно, чтобы максимальный крутящий момент Мкmax на заданную величину превышал момент на режиме номинальной мощности Мкн. Для количественной оценки изменения Мк ко внешней характеристике применяют: номинальный коэффициент запаса крутящего момента н М к max М кн 100 М кн , коэффициент приспособляемости kм = Мкmax/Мкн и скоростной коэффициент kп = nм/nн. Наличие достаточного запаса Мк облегчает управление двигателем, позволяя реже изменять передаточное отношение между двигателем и потребителем. С этих позиций целесообразно увеличение , kм и уменьшение до определенных пределов kп. В двигателе с искровым зажиганием номинальный коэффициент запаса крутящего момента достигает 25...35%, и дополнительная коррекция внешней скоростной характеристики не нужна. В автотракторных дизелях требуется коррекция внешней скоростной характеристики с целью обеспечения по внешней скоростной характеристике: от 10…15 до 30...35% в зависимости от назначения и условий эксплуатации дизеля. Высокие значения н могут быть получены путем использования регулирования наддува в сочетании с коррекцией подачи топлива. Автоматические регуляторы частоты вращения Классификация регуляторов частоты вращения. Двигатели с искровым зажиганием, как правило, не имеют регулятора или на них устанавливаются предельные регуляторы (ограничители) частоты вращения. Эти регуляторы срабатывают после повышения п > пн (рис. 15.4, а). Автотракторные дизели оборудуют всережимными и двух режимными регуляторами. На рис. 15.4, б, в, г приведены их скоростные характеристики при различных положениях педали (рычага) управления. Позиция 1 соответствует полному нажатию на педаль, позиции 2...5 — частичному. На дизелях тракторов, дорожных машин и многих грузовых автомобилей устанавливают всережимные регуляторы, которые воздействуют на регулирующий орган на всех эксплуатационных частотах вращения (рис. 15.4, б). Регуляторы, обеспечивающие ограничение по максимальной и минимальной частоте вращения, называют двухрежимными (рис. 15.4, в). Двухрежимные регуляторы не воздействуют на .рейку топливного насоса в основном диапазоне режимов между п2 и п3 (рис. 15.4, в). Скоростные характеристики в этом диапазоне режимов могут быть улучшены при использовании всережимных регуляторов с пологим протеканием скоростных характеристик (рис. 15.4, г). Двигатели, используемые для привода электрогенераторов, комплектуются, как правило, однорежимными прецизионными регуляторами, позволяющими поддерживать заданную частоту вращения в достаточно узких пределах. Узел регулятора, измеряющий отклонение регулируемого параметра (частоты вращения), называется чувствительным элементом. В тех случаях, когда чувствительный элемент непосредственно связан с регулирующим органом двигателя (рейкой топливного насоса или дроссельной заслонкой карбюратора), регулятор называется регулятором прямого действия. Если между чувствительным элементом и регулирующим органом двигателя включается усилительный элемент, регулятор называют регулятором непрямого действия. В автотракторных двигателях используются регуляторы прямого действия. Рис. 15.4. Скоростные характеристики двигателей, оборудованных различными регуляторами: а – предельным; б – всережимным; в – двухрежимным; г – всережимным с пологим протеканием скоростных характеристик Наибольшее распространение в настоящее время получил механический чувствительный элемент центробежного типа. Регуляторы частоты вращения в этом случае называют механическими. Могут использоваться также пневматические, гидравлические и электрические чувствительные элементы, тогда соответственно регуляторы называют пневматическими, гидравлическими и электрическими (электронными). Применение электрических чувствительных элементов позволяет включить регулятор частоты вращения в комплекс электронной системы управления двигателем. Схемы регуляторов частоты вращения. Упрощенная схема всережимного регулятора частоты вращения приведена на рис. 15.5, а. На установившемся режиме центробежная сила грузов 4 уравновешивается натяжением пружины 1, задаваемым рычагом управления 5. При увеличении частоты вращения грузы 4 перемещают муфту 3 влево и передвигают рейку 6 топливного засоса в сторону уменьшения цикловой подачи Vц. Уменьшение подачи топлива приводит к уменьшению частоты вращения и поддержанию ее в заданном диапазоне. Снижение частоты вращения приводит к перемещению рейки 6 под действием пружины 1 в сторону увеличения цикловой подачи и, следовательно, увеличению частоты вращения и поддержанию ее в заданном диапазоне. Рис. 15.5. Схемы регуляторов: а – всережимного; б – двухрежимного Водитель, устанавливая положение рычага управления 5, задает таким образом диапазон, в котором может изменяться частота вращения вала двигателя при изменении нагрузки. Так, например, при промежуточном положении рычага 5 обеспечивается поддержание частоты вращения на регуляторной ветви 3 от nmin до nmax (см. рис. 15.4, б). Водитель, перемещая рычаг управления 5 вправо (например, до упора 2), увеличивает натяжение пружины 1. Центробежная сила грузов в этом случае сможет преодолеть сопротивление пружины при более высокой частоте вращения, и двигатель работает с частотой вращения, соответствующей регуляторной ветви 1 (см. рис. 15.4, б). Двухрежимные регуляторы позволяют осуществить регулирование двух скоростных режимов путем использования двух пружин с различной предварительной деформацией и жесткостью (пружины 7 и 8 на рис. 15.5, б). Пружина 7 с меньшей предварительной деформацией и жесткостью начинает сжиматься под действием центробежных сил грузов 4 при частоте вращения п1 (см. рис. 15.4, б), муфта 3 передвигается влево к перемещает рейку 6 топливного насоса в сторону уменьшения цикловой подачи топлива (рис. 15.5, б). Это приводит к резкому уменьшению Мк. При частоте вращения п2 (см. рис. 15.4, в) муфта регулятора достигнет втулки 9 и остановится, так как втулка находится под воздействием сильной пружины 8, установленной с большой предварительной затяжкой. При дальнейшем изменении частоты вращения в пределах от п2 до n3 регулятор не воздействует на рейку топливного насоса и подачей топлива управляет водитель. При частоте вращения п3 центробежная сила грузов оказывается равной суммарному усилию пружин 7 и 8. Поэтому дальнейшее увеличение частоты вращения вызывает перемещение муфты и рейки в сторону уменьшения цикловой подачи топлива. Рассмотренный регулятор обеспечивает две зоны регулирования: А и Б. В диапазоне п2 < п < п3 регулирование частоты вращения осуществляется водителем, воздействующим на рейку топливного насоса. Двухрежимные регуляторы в условиях городского движения автомобиля с дизелем обеспечивают уменьшение дымности ОГ и снижение расхода топлива на 5...7% по сравнению с всережимным регулятором. Это происходит в основном потому, что при разгонах всережимный регулятор, как правило, переводит рейку топливного насоса в положение, соответствующее режиму полной подачи, а потом уже устанавливается цикловая подача в соответствии с нагрузкой. При использовании двухрежимового регулятора рейку перемещает водитель и имеет возможность избегать резких нажатий на педаль управления. В свою очередь всережимные регуляторы более универсальны. Их способность автоматически поддерживать заданную частоту вращения коленчатою вала двигателя удобна в управлении автомобилем и работой вспомогательных агрегатов автомобиля (подъемник самосвала, автопогрузчик и т.д.). Особенно эффективен всережимный регулятор на дизелях тракторов и дорожных машин. Всережимные регуляторы с пологим протеканием скоростных характеристик при п2 < п < п3 (см. рис. 15.4, г) в основном сохраняют преимущества двухрежимного регулятора по топливной экономичности и дымности. В то же время устраняется основной недостаток двухрежимного регулятора — менее устойчивая работа дизеля в диапазоне режимов п2 < п < п3. Для обеспечения требуемого коэффициента запаса крутящего момента регулятор дополняется прямым корректором. Одним из используемых конструктивных исполнений прямого корректора является подвижный упор рейки топливного насоса (рис. 15.5, а). При работе дизеля на внешней скоростной характеристике уменьшение частоты вращения от nн до пм приводит к перемещению рейки 6 и упора рейки, находящегося в корпусе корректора 10, вправо, в сторону увеличения цикловой подачи. Перемещение рейки происходит под действием основной пружины регулятора 1, которая при уменьшении частоты вращения преодолевает центробежную силу грузов и противодействие пружины корректора 10. На рис. 15.6 показаны схемы работы всережимного регулятора с наклоном пружины 1 регулятора. Рис. 15.6. Схемы работы всережимного регулятора: а – режим пуска; б – режим холостого хода; в – номинальный режим, начало коррекции; г – режим остановки с помощью специального рычага; П – пуск; ПН – полная нагрузка; ХХ – холостой ход; О – остановка При положении рычага управления 3 на упоре (рис. 15.6, а, в, г) ось пружины 1 почти перпендикулярна рычагу 7 и пружина обеспечивает наибольшее усилие, противодействующее центробежной силе грузов 13. Положение рычага управления 3, обеспечивающее холостой ход, соответствует почти параллельному расположению пружины 1 относительно рычага 7 (рис. 15.6, б). В этом положении пружина почти не развивает усилия, противодействующего перемещению рычага 7. Таким образом, переменный наклон пружины регулятора используется для создания переменной приведенной жесткости пружины с целью уменьшения зависимости степени неравномерности от частоты вращения. В регулятор встроены пружина 4, обеспечивающая пусковую подачу, и прямой корректор 9. При пуске (рис. 15.6, а) рычаг управления находится в левом положении, а промежуточный рычаг 7 прижат главной пружиной 1 регулятора к упору максимальной подачи 10. Вследствие малой частоты вращения слабая пусковая пружина 4 перемешает регулирующий рычаг 5 и муфту 12 в крайнее левое положение. В крайнем левом положении, соответствующем увеличенной цикловой подаче, находится и рейка 2 топливного насоса, что обеспечивает необходимое пусковое обогащение. На рис. 15.6, б рычаг управления находится в положении, обеспечивающем режим минимальных оборотов холостого хода. Положение рычага управления 3 с плечом 14 и устройством для натяжения пружин таково, что главная пружина 1 регулятора не натянута. Центробежную силу грузов уравновешивает слабая пружина холостого хода 8. Равенство центробежной силы грузов и усилия пружины холостого хода достигается при достаточно большом отклонении вправо муфты 12, рычагов 5, 6, 7 и рейки 2, обеспечивающем подачу топлива на минимальных оборотах холостого хода. Схема на рис. 15.6, в соответствует работе на режимах внешней скоростной характеристики при действующем корректоре подачи топлива. Рычаг управления 3 находится в крайнем левом положении, а промежуточный рычаг 7 — на упоре максимальной подачи 10. Частота вращения ниже номинальной приводит к тому, что пружина корректора 9, преодолевая центробежную силу грузов 13, перемещает муфту 12, рычаги 5, 6 и рейку 2 влево, в направлении некоторого увеличения цикловой подачи топлива. Это увеличение подачи топлива обеспечивает заданный запас крутящего момента. На рис. 15.6, г показана схема регулятора после выключения подачи топлива с помощью рычага 11, поворот которого вызывает перемещение нижнего шарнира рычага 5. Верхнее плечо рычага и рейка топливного насоса отклоняются вправо, обеспечивая выключение подачи топлива. Контрольные вопросы 1) Что означает установившиеся режимы и устойчивость режима работы двигателя? 2) Когда необходимо устанавливать на двигатель автоматический регулятор частоты вращения? 3) Почему падает Мкр с увеличением n при сильно прикрытой дроссельной заслонке? 4) Какой фактор повышает Мк в дизеле с ростом n? 5) Скоростные характеристики какого двигателя: дизельного или бензинового обеспечивают большую устойчивость? 6) Какие регуляторы частоты вращения применяются в автомобильных двигателях?
