Работа дизеля по нагрузочной характеристике

Нагрузочная характеристика – зависимость параметров и показателей дизеля от нагрузки, а именно от среднего эффективного давления p_e или крутящего момента М, при постоянной частоте вращения (n=const).

По этой характеристике на судне работают дизель-генераторы или главные двигатели, вращающие гребной винт регулируемого шага при n=const.

Результаты обработанных данных испытания в графической форме показаны на рисунках 4.1; 4.2; 4.3; 4.5; 4.6; 4.7; 4.8 и 4.9.

Рисунок 4.1 Нагрузочная характеристика дизеля

Рисунок 4.2 Винтовая характеристика дизеля

Рисунок 4.3 Нагрузочная характеристика дизеля

Рисунок 4.4 Винтовая характеристика дизеля

Рисунок 4.5 Зависимость эффективной и индикаторной мощности двигателя, а так же механического КПД от нагрузки

Рисунок 4.6 Диаграмма теплового баланса дизеля при работе по нагрузочной характеристике

Рисунок 4.7 Диаграмма теплового баланса дизеля при работе по винтовой характеристике

Рисунок 4.8 Винтовая характеристика дизеля

Рисунок 4.9 Уровни удельного эффективного расхода топлива при работе дизеля по а –нагрузочной характеристике, б – по винтовой характеристике

Зависимость эффективной мощности от нагрузки

Из рисунка 4.1 видно, что зависимость эффективной мощности от нагрузки выражается прямой линией. Эффективная мощность p_e есть отношение работы цикла, получаемой на выходном фланце двигателя Le (иначе говоря, эффективная работа), к рабочему объему цилиндра Vs(объему описываемому цилиндром), т.е.

Следовательно, преобразовав данную формулу, получим эффективную работу от одного цикла в одном цилиндре: .

Преобразовывая далее, получим эффективную мощность многоцилиндрового цилиндра («секундную работу»):

где i – число цилиндров, z – коэффициент тактности, n – частота вращения коленвала.

Так как двигатель работал при нагрузочной характеристике и, как отмечалось выше, с постоянной частотой (n=const), то сомножители i, z, и можно заменить некоторым постоянным коэффициентом В. Тогда мы имеем:

Можно считать, что .

Получается, что эффективная мощность пропорциональна среднему эффективному давлению (т.е. нагрузке), что мы и наблюдаем на рисунке 4.1.

Так как режим работы дизеля определяется двумя независимыми переменными – нагрузочным и скоростным параметрами. Нагрузочным параметром может быть либо среднее эффективное давление p_e, либо крутящий момент М, либо показание гидротормоза Р_т.Для косвенной нагрузки могут быть использованы цикловая подача q_ц, активный ход плунжера ТНВД h_а, положение органа управления подачей топлива (положение рейки ТНВД). В качестве скоростного параметра берут частоту вращения коленчатого вала.

Известно, что мощность есть произведение крутящего момента и угловой частоты вращения, т.е. , то для двигателя, работающего при постоянной частоте (n=const, а значит ω = const), справедливо выражение или . Т.е. мощность пропорциональна нагрузке.

А это значит, что зависимость должна выражаться прямой линией.

Зависимость крутящего момента от среднего эффективного давления

Крутящий момент и среднее эффективное давление представляют собой нагрузочные параметры режима дизеля, т.е. эти величины жестко связаны между собой. Так же выше было доказано, что , так как , а n=const, то получаем , то очевидно . Это означает, что зависимость должна иметь вид прямой линии.

Зависимость коэффициента избытка воздуха для сгорания от нагрузки

Избыток воздуха для сгорания α определяется по формуле:

где – часовой расход воздуха на двигатель, кг/ч

- часовой расход топлива, кг/ч

– теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива среднего состава.

В результате каждого хода наполнения (насосного хода поршня) а цилиндр всасывается из атмосферы один и тот же объем воздуха. Так как испытуемый двигатель без наддува, то воздух, поступивший в цилиндр, имеет почти одну и ту же массу после каждого наполнения. Поэтому при работе дизеля по нагрузочной характеристике (при n=const) часовой расход воздуха практически постоянен, т.е. .

При снижении нагрузки уменьшится цикловая подача топлива и при n=const соответственно уменьшится часовой расход топлива . А это значит, что при снижении нагрузки коэффициент избытка воздуха для сгорания α существенно увеличивается.

Зависимость индикаторной мощности и механического КПД от нагрузки

Индикаторная мощность есть сумма эффективной мощности и мощности механческих потерь :

Мощность механических потерь зависит от частоты вращения коленчатого вала, поэтому при работе двигателя при нагрузочной характеристике, т.е. при n=const, можно принять . Тогда зависимость будет прямой линией, которая отстает от прямой на расстояние соответствующее так, как показано на рис. 4.5.

Механический КПД можно выразить следующим образом:

Из этого выражения следует, что со снижением нагрузки и соответствующим снижением индикаторной мощности механический КПД снижается. Следовательно, при уменьшении полезной нагрузки все большая доля энергии, вводимой в дизель с топливом, расходуется на преодоление механических потерь.

Если продолжать снижение полезной нагрузки до холостого хода, до , то при этом наступает равенство . Это означает, что в соответствии с формулой (*) в данном случае , то есть вся работа газов в цилиндре расходуется на преодоление механических потерь.Другими словами, в этом случае «дизель вращает только сам себя», не производя полезной работы. Рассмотренная ситуация отражена на рис.4.5.

Отметим, что на режиме холостого хода эффективный КПД двигателя , ввиду того что .

Характер кривой на рис.4.5 позволяет сделать вывод о том, что одной из основных причин снижения эффективного КПД двигателя по мере уменьшения его полезной нагрузки является существенное падение механического КПД.

Зависимость коэффициента избытка воздуха для сгорания от нагрузки

Для последующего объяснения влияния избытка воздуха для сгорания на показатели работы дизеля необходимо исследовать характер зависимости представленной на рисунке 4.3.

В соответствии с методикой обработки данных испытания дизеля коэффициент избытка воздуха для сгорания α определяется по формуле:

где – часовой расход воздуха на двигатель, кг/ч;

– часовой расход топлива, кг/ч;

– теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива среднего состава, кг/кг.

В результате каждого насосного хода поршня (хода наполнения) в цилиндр всасывается из атмосферы один и тот же объём воздуха. Причём ввиду того, что дизель 2Ч 11/13 без наддува, воздух, поступивший цилиндр, имеет практически одну и ту же массу после каждого хода наполнения. Поэтому при работе дизеля по нагрузочной характеристике, т.е. при n=const часовой расход воздуха практический постоянен.

Очевидно, что при снижении нагрузки уменьшается цикловая подача топлива r wsp: rsidR=" 00000000" > < w: pgSz w: w=" 12240" w: h=" 15840" /> < w: pgMar w: top=" 1134" w: right=" 850" w: bottom=" 1134" w: left=" 1701" w: header=" 720" w: footer=" 720" w: gutter=" 0" /> < w: cols w: space=" 720" /> < /w: sectPr> < /w: body> < /w: wordDocument> "> и при n=const соответственно уменьшается часовой расход топлива .

Это означает, что в соответствии с формулой (**) при снижении нагрузки коэффициент избытка воздуха для сгорания существенно увеличился.

Зависимость коэффициента наполнения цилиндра от нагрузки

На рисунке 4.3 зависимость представляет собой горизонтальную линию. Выше было сказано о приблизительном постоянстве часового расхода воздуха при работе по нагрузочной характеристике, но все-таки, при измерениях, несколько уменьшается.

Причина уменьшения состоит в том, что по мере увеличения нагрузки растут температуры стенок цилиндра и клапанов подвода воздуха к цилиндру. Их рост и вызывает увеличение степени подогрева поступающего в цилиндр воздуха, а следовательно, снижение его плотности. Несмотря на постоянство объема всасываемого в цилиндр воздуха, массовый заряд цилиндра уменьшается.

Уменьшение при увеличении влечет на собой снижение коэффициента наполнения в соответствии формулой, которую мы использовали при обработке данных испытания:

где i – число цилиндров, z – коэффициент тактности, n – частота вращения коленвала, ρ ₀ – плотность воздуха перед двигателем.

Зависимость эффективного КПД двигателя и удельного эффективного расхода топлива от нагрузки

По результатам испытаний на рисунке 4.3 видно, что в диапазоне малых нагрузок при уменьшении нагрузки эффективный КПД всегда снижается.

Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива жестко связаны между собой обратной пропорциональной зависимостью , поэтому справедливы следующее утверждение: при уменьшении нагрузки (диапазон малых нагрузок) удельный эффективный расход топлива возрастает.

Основными причинами снижения эффективного КПД при уменьшении нагрузки являются:

1) Существенное падение механического КПД.

2) Значительный рост коэффициента избытка воздуха α. Так как в связи с этим подача в цилиндр черезмерно увеличенного количества воздуха снижает уровень температур подвода теплоты в цикл, следовательно, снижает термический КПД цикла , индикаторный КПД цикла и соответственно снижается эффективный КПД .

3) При существенном уменьшении нагрузки цикловая подача топлива становится настолько малой и процесс впрыскивания становится столь коротким, что давление подачи топлива не успевает вырасти до уровня, обеспечивающего надлежащее качество распыливания. Это является причиной ухудшения , а следовательно и в области малых нагрузок.

Так же существует ряд причин снижения эффективного КПД при увеличении нагрузки в области высоких нагрузок.

1) В указанной области нагрузок из-за больших цикловых подач топлива коэффициент избытка воздуха для сгорания α может оказаться недостаточным для своевременного сгорания топлива. Замедленный процесс сгорания оказывается смещенным на линию расширения. В этом случае подвод теплоты в цикл происходит поздно, при снижающейся температуре, что ухудшает , и .

2) Уменьшение коэффициента наполнения с ростом полезной нагрузки способствует ухудшению индикаторного и эффективного КПД. В области больших нагрузок уменьшение вызывает снижение коэффициента избытка воздуха для сгорания α. При возможном недостатке воздуха ухудшается качество смесеобразования. А значит может увеличится продолжительность и уменьшится полнота сгорания топлива. В этом случае снижаются и .

3) При увеличении нагрузки увеличивается цикловая подача топлива и, соответственно, увеличивается продолжительность подачи. Это так же вызывает смещение процесса сгорания на линию расширения и описанное выше ухудшение КПД , и .

Из рисунка 4.6 видно, что доля теплоты , преобразованная в работу, которая является эффективным КПД , с уменьшением нагрузки существенно снижается. Причины данного снижения были рассмотрены выше.

В статью теплового баланса ( «небаланс») входят по большей части механические потери. В основном, потери на осуществление насосных ходов поршня, на привод навешанных на двигатель насосов, газораспределительного механизма. Так же сюда входят потери теплоты в окружающую среду.

1 234