Какими показателями оценивается эксплуатационное свойство двигателя
Мобильных агрегатов
Эксплуатационные свойства и режимы работы двигателей
Источником движущей силы агрегата является двигатель. Поэтому от его эксплуатационных качеств в значительной мере зависит эффективность работы трактора и агрегата.
Чаще всего свойства тракторного двигателя определяют по его характеристикам: скоростной (регуляторной), нагрузочной, регулировочной и др.
Различают динамические и экономические показатели двигателей, которые наглядно отображаются на регулировочных и эксплуатационных характеристиках, построенных на основе данных тормозных испытаний. Изобразим скоростную (регуляторную) характеристику тракторного дизеля
(рис. 2.1).
Как видно, на характеристике можно выделить две зоны:
I зона (А) ¾ регуляторная часть характеристики;
II зона (Б) ¾ безрегуляторная (перегрузочная) часть характеристики.
По регуляторной характеристике можно определить основные динамические и экономические показатели двигателя.
Динамические показатели двигателя:
¾ максимальная эффективная мощность двигателя;
¾ максимальный крутящий момент на валу двигателя;
¾ крутящий момент двигателя при максимальной мощности;
¾ номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя;
¾ коэффициент приспособляемости двигателя по
моменту. Его значения примерно равны 1,15-1,2;
¾ коэффициент приспособляемости двигателя по частоте
вращения коленчатого вала ( 0,5-0,7);
¾ степень неравномерности работы регулятора топливного на-
соса; (0,5-0,07).
Этот показатель характеризует диапазон изменения частоты вращения коленвала двигателя в пределах от полной нагрузки до холостого хода. При малых значениях может наступить неустойчивая работа двигателя, а при больших значениях возрастают расход топлива и износы деталей при неполной загрузке и холостом ходе.
Для двигателя также важен и характер изменения мощности в области использования запаса крутящего момента (зоне Б).
Экономические показатели двигателя:
¾ удельный расход топлива при максимальной мощности двигате-
ля, г/кВт ч;
( ) ¾ максимальный часовой расход топлива, кг/ч;
¾ минимальный удельный расход топлива двигателем, г/кВт×ч; харак-
тер изменения кривой удельного расхода в окрестности точки ;
¾ часовой расход топлива двигателем на холостом ходу при максима-
льной частоте вращения коленчатого вала, кг/ч;
¾ часовой расход топлива двигателем на холостом ходу при
минимальной частоте вращения коленвала, кг/ч.
Рис. 2.1 Скоростная характеристика тракторного двигателя
В зоне А крутящий момент и мощность двигателя с ростом момента сопротивления на его валу возрастают, вследствие того что регулятор увеличивает подачу топлива в цилиндры, перемещая рейку топливного насоса.
При дальнейшем возрастании внешнего сопротивления (за точкой )
наступает работа двигателя с перегрузкой, мощность, часовой расход топлива и частота вращения коленвала снижаются, а крутящий момент сначала несколько возрастает до значения (главным образом за счет действия корректора, увеличивающего цикловую подачу топлива в цилиндры), а затем, при дальнейшем снижении частоты вращения, рабочий процесс в цилиндрах ухудшается и момент уменьшается. Работа двигателя за точкой очень неустойчива, и он может заглохнуть при малейшем увеличении нагрузки.
Для двигателей мобильных агрегатов важно, чтобы при недогрузке кривая удельного расхода топлива в пределах от 60 до 100 % загрузки не имела крутого подъема (зона А). В условиях перегрузки двигателя (зона Б) также желательно, чтобы удельный расход топлива сильно не увеличивался, мощность значительно не снижалась, а крутящий момент возрастал.
Из регуляторной характеристики видно, что длительная работа двигателя на режиме перегрузки нежелательна, т.к. при этом понижается мощность и топливная экономичность двигателя, а следовательно, снижается производительность и экономичность работы агрегата. Кроме того, ухудшаются условия сгорания топлива и смазки, увеличиваются износы. Режим перегрузки допускается только для преодоления временно возрастающих сопротивлений.
Свойства двигателей обуславливают конструкцию и тяговые свойства трактора. Эти свойства двигателей выражаются статистическими характеристиками — графическими зависимостями между крутящим моментом на коленчатом валу Мд, Н·м, угловой скоростью ωд, рад/с, или частотой вращения nд ,мин-1, коленчатого вала, эффективной мощностью Ne, кВт, общим (часовым) Gт, кг/ч и удельным gе, мкг/Дж расходами топлива. Обычно используют скоростные регуляторные характеристики и частичные регуляторные характеристики (различие в установке рычага управления регулятором частоты вращения), получаемыми на стендах при искусственно задаваемых ступенях нагрузки. Эти характеристики снимают путем увеличения нагрузки от холостого хода до режима максимального крутящего момента Мд мах. В отличие от общепринятых в теории двигателей регуляторных характеристик, где независимой переменной служит эффективная мощность Nе, в скоростной регуляторной характеристике независимой переменной является частота вращения nд.
Основными показателями характеристики двигателя являются: номинальная эффективная мощность двигателя Nен, номинальная частота вращения коленчатого вала nдн, номинальный расход топлива — часовой Gтн и удельный gен.
Номинальная мощность — эффективная мощность дизеля, изготовленного и отрегулированного в соответствии с технической документацией предприятия-изготовителя, без вентилятора, глушителей шума впуска и выпуска, искрогасителя, выпускной трубы и нейтрализатора отработавших газов, с отключенными генератором, гидронасосом и компрессором, прошедшего обкатку в течение 60ч, гарантируемая заводом-изготовителем при работе на номинальном скоростном режиме при полной подаче топлива и стандартных атмосферных условиях, температуре и плотности топлива. Существует и понятие эксплуатационной мощности, отличающееся от приведенного выше определения тем, что дизель работает с вентилятором, воздухоочистителем, глушителями шума, выпускной трубой и нейтрализатором, с отключенными или работающими без нагрузки генератором, гидронасосом и копрессором.
Приведенные крутящий момент и удельный расход топлива определяют по приведенным мощности и расходу топлива, пользуясь известными соотношениями:
, (π/30 = 0,105) (4.1)
, (4.2)
где Ne — эффективная мощность, кВт; Mд — крутящий момент, как средний за цикл момент, передаваемый от коленчатого вала дизеля силовой передаче трактора, кН·м; nд — частота вращения, как средняя за единицу времени частота вращения коленчатого вала, с-1.
Тяговые свойства двигателя оценивают коэффициентами приспособляемости
(4.3)
и снижения частоты вращения
, (4.4)
где Мдmax и nмдmax — максимальный момент на коленчатом вале и соответствующая ему частота вращения; Мдн и nдн — момент и частота вращения при номинальной мощности.
С увеличением Кмповышается способность трактора преодолевать возрастание сопротивления без перехода на низшую передачу, уменьшается степень снижения скорости, повышается производительность агрегата при форсировании нагрузки. При увеличении an повышается производительность агрегата при форсировании нагрузки, но уменьшается преодолеваемая перегрузка. Следует также помнить, что при снижении частоты вращения дизеля отдается часть накопленной кинетической энергии движущихся и вращающихся деталей.
Экономическими показателями тепловых двигателей являются: минимальный удельный расход топлива gеmin, оценочный удельный расход топлива gеоц, характеризующий средний удельный расход в диапазоне 0,5Nн — Nн регуляторной ветви характеристики, расход картерного масла на угар.
Двигатель для трактора выбирают по тяговым, экономическим и эксплуатационным показателям. К последним относят: удельную массу двигателя (на единицу мощности), устойчивость работы, пусковые качества, вибрационные и шумовые характеристики, токсичность отработавших газов, автономность (способность работать в удалении от базы), стабильность параметров, надежность, простота обслуживания.
Основные направления развития двигателестроения — повышение агрегатной мощности, эксплуатационной экономичности по топливу и маслу, улучшение экологических характеристик (токсичности, шумности), повышение ресурсов и надежности, снижение удельной металлоемкости и трудовых затрат на обслуживание в процессе эксплуатации.
Основным типом тракторного двигателя благодаря автономности, высокой экономичности и пусковой готовности, малой удельной массе, хорошей надежности является четырехтактный дизель.
Все тракторные дизели снабжены всережимными регуляторами частоты вращения. Поэтому кроме основного режима (полная подача топлива) можно задать множество режимов за счет изменения положения рычага управления регулятором. На рисунке 4.1 представлена скоростная регуляторная характеристика двигателя ЯМЗ-238НБ (основная и две частичные). При снижении задаваемой на частичных режимах частоты вращения холостого хода будет снижаться Км и увеличиваться an. Очень существенно и то, что на частичных режимах будет снижаться расход топлива Gт.
Рисунок 4.1 – Скоростные характеристики
(основная и две частичные регуляторные) дизеля ЯМЗ-238НБ
Как показывают наблюдения, тракторный дизель в условиях рядовой эксплуатации примерно 40% времени работает при нагрузке до 50% от номинальной, еще 40% времени при нагрузке 50…60% и только 20% времени – при нагрузке от 70% до номинальной. Дизели зерноуборочных комбайнов только 50% времени работают при средней загрузке 70% от номинальной, остальное время с нагрузкой 20…30%. Это свидетельствует о том, что тракторные и комбайновые дизели значительную часть времени нагружены не полностью и работают на режимах повышенных расходов топлива.
Тяговые свойства автомобиля — совокупность свойств, определяющих возможные по характеристикам двигателя или сцепления ведущих колес с дорогой, диапазоны изменения скоростей движения и предельные интенсивности разгона автомобиля при его работе на тяговом режиме в различных дорожных условиях.
Тяговым режимом считается режим работы двигателя, при котором от двигателя к ведущим колесам подводится мощность, достаточная для преодоления сопротивления движению.
Чем тяжелее дорожные условия, тем меньше диапазон возможных скоростей и меньше возможность ускорения. В некоторых условиях, называемых предельными, диапазон скоростей снижается до одного значения. При более тяжелых условиях движение невозможно.
Динамичность — свойство автомобиля перевозить грузы и пассажиров с максимально возможной средней скоростью. Чем выше динамичность автомобиля, тем больше его производительность. Динамичность автомобиля во многом зависит от его тяговых и тормозных свойств.
Топливная экономичность — свойство автомобиля рационально использовать энергию топлива при выполнении единицы транспортной работы.
Снижение расходов топлива транспортными средствами является важнейшей задачей. От того, насколько экономичен автомобиль, зависит себестоимость автоперевозок.
Управляемость — способность автомобиля сохранять заданное направление движения или изменять его при воздействии водителя на рулевое управление автомобиля.
Управляемость заивисит от конструкции автомобиля, технического состояния рулевого управления, подвески и шин, а также условий окружающей среды.
Устойчивость — свойство автомобиля сохранять направление движения и противодействовать силам, стремящимся увести в сторону или опрокинуть автомобиль.
Управляемость и устойчивость тесно связаны друг с другом.
Устойчивость вместе с управляемостью и тормозной динамичностью автомобиля обусловливают безопасность движения.
Проходимость — свойство автомобиля свободно двигаться по плохим (разбитым, размокшим) дорогам и пересеченной местности, преодолевая естественные и искусственные препятствия (канавы, рвы, пороги) без вспомогательных устройств и посторонней помощи.
Проходимость является одним из основных эксплуатационных свойств, определяющих эффективность использования данного транспортного средства. Этим качеством должны обладать автомобили всех типов, но в зависимости от их назначения — в различной степени.
Автомобили обычной проходимости предназначены для движения по шоссейным и грунтовым дорогам. К ним относятся автомобили обшетранспортного назначения колесной формулой 4×2 или 6×4 с обычными тороидными или низкопрофильными шинами и не блокируемыми дифференциалами.
К автомобилям повышенной проходимости относятся автомобили колесной формулой 4×4, 6×4, 6×6 и т. д. с широкопрофильными шинами, шинами регулируемого давления воздуха, с частично или полностью блокируемыми дифференциалами.
К автомобилям высокой проходимости относятся полноприводные автомобили с шинами сверхнизкого давления, арочными шинами или пневмокатками Эти автомобили могут быть плавающими и работать в особо тяжелых климатических условиях, например на севере.
Плавность хода — свойство автомобиля двигаться по дорогам и местности с заданными скоростями без толчков и колебаний кузова, которые могут нарушить нормальную работу механизмов автомобиля, оказывать вредное влияние на водителя и пассажиров.
Выступы и впадины от 100 м до 10 см называют микропрофилем дороги, который является основной причиной колебаний автомобиля на подвеске.
Мелкие неровности дорожной поверхности менее 10 см называются шероховатостью. Они могут создать высокочастотные вибрации отдельных элементов шасси и кузова автомобиля и высокий уровень шума как внутри кузова, так и вокруг машины.
Надежность — свойство автомобиля безотказно перевозить грузы и пассажиров в течение определенного срока и без ухудшения основных эксплуатационных показателей автотранспортного средства.
Надежность — это совокупность свойств, которая может включать в себя безотказность, долговечность и ремонтопригодность объекта.
Безотказность — свойство автомобиля (двигателя) сохранять работоспособность в течение определенного интервала времени или пробега определенной величины.
Долговечность — свойство автомобиля сохранять работоспособность до определенного времени, когда установлено проведение технического обслуживания и ремонта автотранспортного средства.
Ремонтопригодность — приспособленность автомобиля к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей и отказов.
Характеристики двигателей
Оценить мощностные и экономические возможности двигателя внутреннего сгорания при работе его в различных эксплуатационных условиях можно по техническим и технологическим характеристикам, получаемым в результате различных испытаний – стендовых, дорожных, полигонных, эксплуатационных и т. п.
Характеристикой двигателя называется зависимость основных показателей его работы (мощности, вращающего момента на выходном валу, расхода топлива) от одного из параметров режима работы (частоты вращения коленчатого вала, внешней нагрузки и т. п.). Характеристики двигателя определяют его эксплуатационные качества, уровень технического совершенства, правильность регулировок, а также его назначение.
Основные характеристики автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний»:
скоростная характеристика – зависимость основных эффективных показателей работы двигателя от частоты вращения его коленчатого вала;
коэффициент приспособляемости – способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки;
нагрузочные характеристики – зависимости удельного и часового расхода топлива от мощности, развиваемой двигателем;
характеристика холостого хода – зависимость часового расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя без нагрузки;
регулировочные характеристики – зависимость мощностных и экономических показателей работы от состава рабочей смеси, воспламеняемой в цилиндрах двигателя, угла опережения зажигания или впрыска, температуры двигателя и других регулируемых факторов.
***
Нагрузочная характеристика
Нагрузочной характеристикой называется изменение часового и удельного расхода топлива в зависимости от величины нагрузки. Работа на режимах нагрузочной характеристики наиболее характерна для двигателей, которые используются для привода электрических агрегатов, насосов, компрессоров, тракторов. В частности, нагрузочная характеристика имитирует работу двигателя на автомобиле, при его движении с постоянной скоростью на одной из передач в условиях переменного сопротивления со стороны дороги.
Цель получения нагрузочной характеристики – определение топливной экономичности двигателя.
Условия получения нагрузочной характеристики:
- независимая переменная величина – нагрузка на двигатель (так как с увеличением нагрузки для ее преодоления двигатель должен увеличивать мощность Nе, среднее эффективное давление ре и крутящий момент Мк, то нагрузку выражают в процентах относительно одного из этих параметров;
- постоянная величина – частота вращения коленчатого вала;
- зависимые переменные величины – удельный расход топлива gе и часовой расход топлива Gt.
***
Скоростная характеристика
Скоростная характеристика двигателя представляет собой зависимость основных эффективных показателей его работы (эффективная мощность, вращающий момент на выходном валу, удельный и часовой расход топлива) от частоты вращения коленчатого вала при постоянной подаче топлива в цилиндры в установившемся тепловом режиме.
Различают внешнюю и частичные скоростные характеристики.
Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива (полностью открытой дроссельной заслонке или соответствующем положении рейки топливного насоса дизеля) и при углах опережения зажигания или начала впрыскивания топлива по техническим условиям на двигатель, называется внешней скоростной характеристикой двигателя.
Внешняя скоростная характеристика позволяет определить максимальные мощностные показатели двигателя и оценить его экономичность при полных нагрузках.
Характеристики, соответствующие постоянным промежуточным положениям дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, называются частичными скоростными характеристиками двигателя. Иными словами, любая характеристика, полученная при неполном открытии регулирующего органа двигателя, называется частичной скоростной характеристикой.
Скоростную характеристику реального двигателя строят по результатам стендовых испытаний.
Вал работающего двигателя нагружают с помощью тормоза, обеспечивая фиксирование частоты вращения от минимально устойчивой до максимально допустимой. При этом на каждой частоте замеряют тормозной момент Мт в (Н×м) и часовой расход топлива в кг/ч.
По результатам испытаний строят кривые зависимости эффективного вращающего момента и часового расхода топлива от частоты вращения вала двигателя.
Затем, используя формулы:
gе = GT/Pе = gi/ηM
Mе = 3×104 Pе /πn
находят эффективную мощность и удельный расход топлива, после чего отображают их графические зависимости.
***
В зависимости от укомплектованности двигателя вспомогательными устройствами и оборудованием определяют мощность нетто (полная комплектация) или мощность брутто (неполная комплектация).
Различают следующие характерные частоты вращения коленчатого вала:
- минимальная частота вращения, при которой возможна устойчивая работа двигателя при полной подаче топлива;
- частота вращения, соответствующая наибольшему вращающему моменту;
- частота вращения, соответствующая наибольшей мощности двигателя;
- наибольшая возможная частота вращения коленчатого вала, устанавливаемая ограничителем частоты вращения.
Характеристика холостого хода является частным случаем скоростной характеристики двигателя.
Внешнюю скоростную характеристику вновь проектируемого двигателя можно построить по эмпирическим зависимостям, где максимальная мощность и соответствующие ей удельный расход топлива и частота вращения берутся из данных теплового расчета двигателя при его конструировании.
***
Приемистость и приспособляемость двигателя
Способность двигателя с ростом частоты вращения коленчатого вала наращивать мощность называется его приемистостью.
Приемистость двигателя непосредственно влияет на приемистость автомобиля, т. е. его способности ускоряться и разгоняться. Скоростная характеристика во многом отражает степень приемистости двигателя: чем круче кривая Nе, тем приемистость двигателя больше.
Если сравнить скоростные характеристики карбюраторного двигателя и дизеля, то можно заметить, что кривая мощности Nе у дизеля круче, т. е. дизель обладает большей приемистостью.
Способность двигателя с ростом внешней нагрузки сохранять частоту вращения коленчатого вала называется его приспособляемостью (самоприспособляемостью или эластичностью).
Например, затяжной подъем один из автомобилей может преодолеть без переключения КПП на пониженную передачу, а другой при таких же условиях заглохнет. Следовательно, в первом случае приспособляемость двигателя автомобиля выше, чем во втором.
Приспособляемость автомобиля к изменению внешней нагрузки оценивается коэффициентом приспособляемости (коэффициентом самоприспособляемости). Чем больше значение этого коэффициента, тем лучше приспособляемость автомобиля к увеличению внешней нагрузки.
Устойчивость режима автомобильного двигателя к увеличению внешней нагрузки оценивают по запасу крутящего момента, который определяется отношением максимального крутящего момента Мкmax к крутящему моменту Мкном, развиваемому двигателем на номинальном режиме; это отношение и называют коэффициентом приспособляемости k.
Коэффициент приспособляемости k, характеризующий приспособляемость двигателя к изменению внешней нагрузки, может быть определен по формуле:
k = Mкmax/Mкном
В бензиновых двигателях средний коэффициент приспособляемости k = 1,25…1,35, в дизельных k = 1,05…1,2.
Поскольку коэффициент приспособляемости характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки без переключения передач, можно сделать вывод, что дизельные двигатели переносят изменение внешней нагрузки хуже, чем карбюраторные. Чтобы преодолеть этот недостаток дизелей увеличивают размеры цилиндров, что приводит к увеличению крутящего момента, а также применяют всережимные регуляторы частоты вращения коленчатого вала.
***
Общее устройство двигателя