§ 8-13. Характеристика работы двигателей
В зависимости от величины внешней нагрузки мощность двигателя изменяется от холостого хода до номинальной.
Если от двигателя требуется мощность меньше номинальной, снижают частоту вращения, не изменяя количества сжигаемого топлива, т. е. не изменяя подачу топлива, или, наоборот, уменьшают только подачу топлива, или, наконец, уменьшают частоту вращения и подачу топлива.
Выбор одного из указанных вариантов зависит от назначения двигателя и условий его эксплуатации. Однако во всех случаях смещение работы двигателя с номинального режима в область меньших или больших нагрузок (перегрузка) означает изменение его экономических, динамических и других показателей.
Наименьшую индикаторную мощность двигатель развивает на холостом ходу. При этом, чтобы уменьшить потери на трение, частоту вращения холостого хода выбирают минимально возможной, на которой двигатель работает устойчиво.
Максимальное значение частоты вращения вала определяется рядом факторов, например пределом прочности деталей, воспринимающих инерционные усилия; ухудшением индикаторного процесса вследствие значительного сокращения времени, приходящегося на цикл, и уменьшения воздушного заряда; из-за повышенных сопротивлений на пути всасывания воздуха и т. д.
Когда мощности двигателя и потребителя одинаковы, все параметры, определяющие работу двигателя, остаются постоянными. Такой режим работы называется установившимся. Однако в процессе работы мощность потребителей может изменяться, соответственно должна изменяться и мощность двигателя. Переход двигателя на другую по величине мощность называется переходным режимом и сопровождается изменением параметров его работы. После окончания этих изменений наступает новый установившийся режим работы двигателя при данной нагрузке.
Закономерности, определяющие изменение мощности и вращающего момента двигателя в зависимости от частоты вращения или от положения рейки топливного насоса, играющей роль регулирующего органа, называются характеристиками двигателя.
Эффективная мощность двигателя и вращающий момент на его валу зависят от частоты вращения коленчатого вала, величины потерь на трение, учитываемых механическим к. п. д., и количества топлива, сжигаемого в цилиндре за один цикл, определяющего среднее индикаторное давление. Связь между названными величинами выражается формулой
где С — постоянная величина для данного двигателя.
Величина
С увеличением частоты вращения (рис. 8-24, а) индикаторная мощность возрастает. Однако вместе с этим увеличивается мощность потерь на трение Nf. Вследствие этого увеличение эффективной мощности Ne происходит до некоторого предела (точка А), после которого Ne убывает. Мощность потерь увеличивается во всем диапазоне частоты вращения и в точке М эффективная мощность равна мощности потерь.
Частота вращения и эффективная мощность в точке А являются номинальными для данного двигателя. Участок AM представляет область, в которой двигатель не должен работать вследствие возрастания частоты вращения и значительного увеличения механических напряжений в деталях двигателя.
Номинальная мощность двигателя, помеченная на рис. 8-24, б точкой A, может быть достигнута начиная от холостого хода повышением частоты вращения при неизменном положении рейки топливного насоса, установленной на максимальную подачу, или увеличением подачи топлива соответственно величине внешней нагрузки при постоянной (номинальной) частоте вращения. В первом случае изменение эффективной мощности изобразится линией FA, во втором — вертикальной линией АС.
Линия FA, проходящая через точку А номинального режима, полученная при полной подаче топлива, называется внешней скоростной характеристикой. При уменьшенной, т. е. частичной, дозе топлива, впрыскиваемой в цилиндр, получаются частичные характеристики а, б, в (рис. 8-24). Число частичных характеристик может быть произвольным.
Линия АС называется регуляторной (нагрузочной) (см. рис. 8-24, б) характеристикой, так как параметры рабочего процесса двигателя в данном случае определяются внешней нагрузкой при постоянной частоте вращения.
У стационарных двигателей регулятор допускает незначительное увеличение частоты вращения при уменьшении нагрузки и особенно на холостом ходу; АД — регуляторная характеристика такого двигателя.
Когда агрегат, присоединенный к двигателю, должен работать при постоянной частоте вращения независимо от расходуемой мощности, например электрогенератор на электростанции, двигатель работает по регуляторной характеристике (линия АД).
Регулятор тепловозного двигателя снабжен изодромом, т. е. устройством, поддерживающим постоянную частоту вращения на заданном уровне на всех нагрузках, поэтому у тепловозных двигателей нагрузочная и регуляторная характеристики совпадают.
Рис. 8-24. Характеристики работы двигателя внутреннего сгорания
Мощность, развиваемая тепловозным двигателем, определяется величиной касательной силы тяги и мощностью, расходуемой на привод вспомогательных агрегатов. Поэтому при движении тепловоза изменение профиля пути или скорости хода поезда требует изменения мощности двигателя. В случае электрической передачи тяговый генератор тепловоза может работать при переменных оборотах, при этом с изменением частоты вращения его мощность изменяется по закону, близкому к линейному. Изменение мощности генератора в зависимости от частоты вращения называется генераторной характеристикой, показанной линией ВА на рис. 8-24, a.
На тепловозе ряд вспомогательных агрегатов имеет привод непосредственно от двигателя (тормозной компрессор, вентиляторы охлаждения тяговых двигателей и др.). Поглощаемая ими мощность при номинальной частоте вращения двигателя составляет около 10% его номинальной мощности, поэтому в точке А мощность двигателя должна быть равна сумме мощностей, расходуемых тяговым генератором и вспомогательными агрегатами.
Способность генератора постоянного тока работать при любой заданной частоте вращения вала позволяет регулировать мощность двигателя изменением частоты вращения.
Устанавливая ряд возрастающих частот вращения вала двигателя, получают промежуточные значения его мощности, соответствующей частичным нагрузкам. Число промежуточных значений эффективной мощности соответствует числу позиций контроллера. На рис. 8-24, г показаны скоростная внешняя характеристика ЕA и генераторная ВA, а также регуляторные характеристики, когда имеются восемь позиций контроллера. Каждое промежуточное значение частоты вращения зависит от позиции контроллера и устанавливается машинистом. На заданной позиции регулятор поддерживает частоту вращения вала постоянным, изменяя подачу топлива, т. е. в пределах одной позиции двигатель работает по регуляторной характеристике. Таким образом, при восьми позициях контроллера, показанных на рис. 8-24, г, имеются семь частичных регуляторных характеристик.
Работу двигателя с одной нагрузочной характеристики на другую переключает машинист переменой позиции контроллера. При этом переход с характеристики 7, например, на характеристику 6 означает снижение частоты вращения вала двигателя от nном до nном и соответственно уменьшение эффективной мощности на величину Δn0.
Для стационарных двигателей, работающих при постоянной частоте вращения, даются характеристики, показывающие закономерности изменения удельного расхода топлива, эффективной мощности, температуры выпускных газов и др. в зависимости от среднего эффективного давления (рис. 8-25). Данные приведены для двигателя MAN, четырехтактного, шестицилиндрового, ход поршня 450 мм, диаметр цилиндра 300 мм, номинальная мощность 1120 кВт при п = 400 об/мин.
Рис. 8-25. Характеристика работы двигателя при 400 об/мин:
Ρz —давление сгорания; рк — давление и температура наддува, pr, tr— давление и температура выпускных газов; Βe, be —часовой и удельный расход топлива
Рис. 8-26. Изменение мощности, развиваемой двигателем одной секции тепловоза ТЭЗ, в зависимости от скорости хода поезда и позиции контроллера (масса состава 3050 т)
Основным показателем экономичности двигателя является удельный расход топлива. Удельный расход топлива зависит от эффективной мощности, развиваемой двигателем. При этом наименьший расход достигается, когда мощность составляет 940 кВт, т. е. 83% номинальной мощности.
Работа двигателя вне этого режима проходит при повышенном удельном расходе топлива, особенно при частичных нагрузках, близких к холостому ходу.
Частота и границы изменения нагрузки зависят от области применения двигателя и характера работы присоединенного потребителя энергии. В наиболее благоприятных условиях находятся двигатели, устанавливаемые на электростанциях, где они работают с постоянной частотой вращения и сравнительно редкими и плавными изменениями нагрузки. В худших условиях проходит работа транспортных двигателей и особенно тепловозных (рис. 8-26).
При постоянной мощности, развиваемой двигателем, в его узлах и деталях возникают постоянные по величине механические и термические напряжения.
Частые изменения мощности двигателя вызывают соответствующие изменения всех напряжений. Это значительно повышает требования ко многим деталям, особенно шатунно-поршневой группы.