Навантажувальна характеристика

Умови навантаження дизеля можуть бути такими, що потрібно змінювати потужність при заданій частоті обертання колінчастого валу.

Характеристики двигуна, отримані при заданій постійній частоті обертання його валу, навантаженні, що змінюється, і змінному положенні рейки ПНВТ, називаються навантажувальними характеристиками (рис. 6.2, крива 4).

Залежно від заданих частот обертання валу може бути отримана безліч навантажувальних характеристик.

Робота по цих характеристиках визначається дією рукоятки контролера управління на затягування пружини відцентрового регулятора частоти обертання. При кожному затягуванні пружини незалежно від потужності ізодромний регулятор підтримує за рахунок зміни положення рейки ПНВТ. При цьому мінімальне значення потужності при кожній частоті обертання колінчастого валу відповідає роботі дизеля на холостому ході, тобто при навантаженні, визначуваною потужністю допоміжних агрегатів.

У випадку параметри робочого процесу дизеля є функцією ефективної потужності.

Розглянемо зміну показників робочого процесу при роботі дизеля тепловоза типу Д49 по навантажувальній характеристиці (рис. 6.5). Як параметри, що характеризують навантаження двигуна, можуть бути використані: ефективна потужність, крутний момент, середній ефективний тиск.

В даному випадку по осі абсцис в якості навантаження відкладається величина ефективної потужності.

Рис. 6.5. Навантажувальні характеристики тепловозного дизеля типу Д49

Для зниження ефективної потужності при вибраній частоті обертання зменшується циклова подача палива, а, отже, годинна витрата палива . При цьому зменшується температура і тиск випускних газів перед турбіною, а, отже, їх наявна енергія. В результаті падає частота обертання ротора турбокомпресора і тиск повітря перед впускними органами. Більшою мірою це зниження позначається в чотиритактних двигунах з високим наддувом. У двотактних двигунах з комбінованим газотурбінним наддувом при відносно малому навантаженні (, де – потужність допоміжних агрегатів тепловоза), потужність, що розвивається газовою турбіною, зовсім мала, але ступінь підвищення тиску повітря в приводному компресорі не залежить від навантаження і тиск в ресивері визначається цією величиною.

При зниженні величини зменшуються температура наддувального повітря і витрата повітря через двигун. Проте, коефіцієнт при цьому практично не змінюється і залишається відносно постійним у всьому діапазоні зміни ефективній потужності

Це обумовлено тим, що на коефіцієнт наповнення впливають в протилежних напрямах два чинники: з одного боку, при зменшенні навантаження знижується температура стінок циліндропоршневої групи і підігрів заряду від даних стінок, що сприяє підвищенню значення ; з іншого боку, при зменшенні навантаження знижується температура відпрацьованих газів, збільшується їх щільність і газодинамічний опір у випускному клапані, що викликає зменшення значення . Оскільки вплив цих чинників протилежний і незначний по абсолютному значенню, можна вважати коефіцієнт наповнення таким, що не змінюється по навантажувальній характеристиці.

Індикаторний ККД , в основному залежить від коефіцієнта надлишку повітря, яке, у свою чергу, визначається з виразу

.

При зниженні навантаження коефіцієнт надлишку повітря неухильно зростає. Це обумовлено тим, що витрата повітря через двигун знижується у меншій мірі, чим циклова подача палива.

Так, наприклад, при дуже малому навантаженні () для чотиритактного дизеля циклова подача палива знижується в 6 разів, а витрата наддувального повітря – в 2,5 рази в порівнянні з номінальним режимом. Тому коефіцієнт надлишку повітря підвищується в 2,4 разу, досягаючи .

Якщо коефіцієнт надлишку повітря зростає при зниженні навантаження, то індикаторний ККД, залежний від , змінюється трохи інакше: у міру зниження навантаження в зоні значення підвищується, а при – падає.

Підвищення індикаторного ККД при збільшенні цілком з’ясовано (дивися зовнішню характеристику). Пониження індикаторного ККД при обумовлено наступним.

Зростання коефіцієнта надлишку повітря має місце унаслідок зменшення циклової подачі палива. При цьому падає тиск палива в системі паливоподачі, погіршуються якість розпилювання палива і сумішоутворення, що є однією з причин зниження індикаторного ККД

Крім того, при значному підвищенні коефіцієнта надлишку повітря спостерігається зниження температури деталей циліндропоршневої групи. Це викликає збільшення відносних втрат теплоти в систему охолоджування і зростання періоду затримки займання палива . В результаті займання палива на режимах, відповідних великим значенням , нерідко наступає за ВМТ на такті розширення робочого тіла.

Механічні втрати при роботі дизеля по навантажувальній характеристиці змінюються трохи. До чинників, що впливають на зменшення механічних втрат при зниженні навантаження, відносяться: падіння навантаження від тиску газів (на корінні і шатунні підшипники, циліндрову втулку, поршень), зменшення потужності ПНВТ унаслідок скорочення циклової подачі палива.

До чинників, що підвищують механічні втрати для чотиритактних двигунів, відносяться: збільшення насосних втрат із-за падіння тиску повітря у впускній системі і зростання газодинамічних опорів у випускній системі (у клапанах, проточній частині турбіни) унаслідок пониження температури відпрацьованих газів і збільшення їх щільності, при цьому різниця підвищується. Крім того, має місце підвищення в’язкості масла із-за пониження температури деталей циліндропоршневої групи, що приводить до збільшення втрат на тертя. В результаті можна допустити, що механічні втрати при зберігаються приблизно незмінними або трохи підвищуються у міру зниження навантаження. Тому значення механічного ККД у міру зменшення неухильно знижується. Це підтверджується теоретичним аналізом на основі залежності , з якої виходить, що у міру зниження значення знижується і при величина .

Характер зменшення і повною мірою робить вплив на такі техніко-економічні показники, як ефективний ККД () і питома ефективна витрата палива .

Враховуючи, що максимальне значення має місце при зниженні потужності до , а механічний ККД у міру зниження навантаження падає, то мінімум питомої витрати палива і максимум ефективного ККД доводиться на режим, відповідний . У міру подальшого пониження, відбувається істотне підвищення питомої ефективної витрати палива і зниження ефективного ККД.

Проте, на режимі холостого ходу . Допоміжні агрегати, що приводяться дизелем, відбирають частку номінальної потужності. Так, на тепловозах 2Т2116 витрати потужності на привід допоміжних агрегатів досягає 16% від номінальної потужності дизеля, а на тепловозах типу ТЭ10 – 11%. Тому питома витрата палива тепловозом при роботі дизелів на холостому ході в умовах тепловоза досягає, наприклад, для дизеля 10Д100 значення 1200 г/(кВт×год.). Вплив допоміжних агрегатів тепловоза на основні показники робочого процесу при роботі дизеля по характеристиці навантаження за умови зниження навантаження представлено на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема впливу основних агрегатів дизеля на показники його роботи

по навантажувальній характеристиці (продовження рис. 6.4)