Рис. 14.3. Внешняя и частичные характеристики

г>ном "wax ^пном ⁿmaxВнешняя характеристика.

При эксплуатации часто изменение нагрузки влечет за собой изменение частоты вращения, несмотря на неизменное положение органа управления топливными насосами. Подобным условиям отвечают внешняя или частичные характеристики, под которыми понимается

графическая или аналитическая зависимость

Рис. 14.1. Нагрузочная Рис. 14.2. Регуляторные характеристики характеристика

показателей двигателя от частоты вращения при строго фиксированном положении органа управления топливными насосами (топливная рейка TP = const), что обеспечивает сохранение неизменности активного хода плунжера.

Кривая ТР_ном=const (рис. 14.3, а, б)-внешняя номинальная характеристика, соответствующая работе двигателя в условиях изменяющихся нагрузки и частоты вращения при активном ходе плунжера h_{а ном} или соответствующем ему положении топливной рейки ТР_ном, обеспечивающем номинальную мощность N_{e ном} и среднее эффективное давление р_{е ном} при номинальном скоростном режиме n _ном.

Под номинальной максимальной длительной (MCR) мощностью понимается наибольшая гарантируемая заводом-строителем эффективная мощность, которую двигатель может развивать в течение длительного времени при номинальном скоростном режиме n_ном и нормальных атмосферных условиях (р₀ - 100 кПа, t₀ = 27 °С и относительная влажность ϕ = 60 %), а также при сопротивлении на впуске, противодавлении выпуску (возникших при стендовых испытаниях и оговоренных в инструкции), температуре и давлении в системах смазочной и охлаждения, рекомендованных сортах топлив и масел (Qн - 42,7 МДж/кг). Условия работы в эксплуатации обычно отличны от стендовых, поэтому на номинальной мощности из-за опасности перегрузки двигатель работает редко.

Внешняя максимальная, или заградительная, характеристика по топливному насосу (кривая TP_max = const, точка 1') соответствует предельной в условиях эксплуатации подаче топлива, ограничиваемой обычно упором, устанавливаемым на топливном насосе и обеспечивающим кратковременную 10%-ную перегрузку двигателя по мощности (N_{e max}= 110 % N_{е ном}) при 3 %-ной перегрузке по частоте вращения (точка 1, n _max - 103 % п_ном, см. рис. 14.3, б).

Частичные характеристики.

Характеристики соответствуют работе двигателя при активном ходе плунжера h_a < h_{a ном} или TP < ТР_ном, при которых мощность и среднее эффективное давление составляют лишь часть их полного значения на номинальном режиме.

По частичной характеристике двигатель может работать без ограничений по времени, исключая режим минимальной частоты вращения.

Характер зависимостей мощности и среднего эффективного давления от частоты вращения для внешней и частичных характеристик следующий:

Если заменить величину g_ц через показатель TP, характеризующий положение топливной рейки насоса или указателя нагрузки, то

Если предположить, что изменение скоростного режима п при TP = const не влияет на величины η_т и η_е, внешняя характеристика в координатах р_е - n (см. рис. 14.3,а,б) будет представлять собой прямую, параллельную оси абсцисс (р_{е ном} = const), а в координатах N_e - п - прямую, идущую из начала координат в точку номинального режима (N_eном,n_ном)

В действительности при изменении частоты вращения не сохраняются неизменными ни коэффициент подачи топливных насосов , ни эффективный КПД η_е (см. рис. 14.3, а). Коэффициент подачи из-за сжимаемости топлива при уменьшении частоты вращения немного увеличивается или уменьшается. Определяющую роль играют конструкция топливного насоса, объем дросселирования топлива в периоды наполнения и отсечки, техническое состояние прецизионных элементов.

Совместное влияние η_i и η_мех приводит к тому, что эффективный КПД большинства двигателей при уменьшении частоты вращения меняется в довольно узких пределах.

Соответственно невелико изменение и удельного эффективного расхода топлива g_e = 3600/(Q_Hη_е), определяющего экономичность работы двигателя.

Малое влияние скоростного режима на эффективный КПД приводит к тому, что характер зависимости среднего эффективного давления от частоты вращения при работе двигателя по внешней характеристике в основном определяется характером изменения цикловой подачи топлива (коэффициента подачи η_т). В большинстве случаев при снижении п увеличивается η_т, поэтому растет р_е (см, рис. 14.3, а).

Снижение давления p_e, обычно наблюдается в области малых частот вращения, здесь определяющую роль начинает играть уменьшение коэффициента η_е из-за ухудшения снабжения двигателя воздухом, падения α и ухудшения смесеобразования.

Так как среднее эффективное давление при изменении скоростного режима и TP = const не остается постоянным, то отклоняется от линейной зависимости и N_e = Cp_en (см. рис. 14.3, б).

Положение частичных характеристик отвечает условию ТР₂ < ТР₁ < ТР_НОМ, что соответствует следующим соотношениям активного хода плунжера топливного насоса: h_a2 < h_a1 <h_{a ном}.

Тепловая и механическая напряженность.

Характерное для внешней характеристики сокращение коэффициента избытка воздуха, особенно четко проявляющееся в двигателе с турбонаддувом, вызывает рост температуры газов в цилиндре (см. рис. 14.3). Поэтому при уменьшении частоты вращения в условиях внешней характеристики не исключена возможность повышения температуры деталей ЦПГ и роста в них температурных напряжений.

О механической напряженности двигателя можно судить по максимальному давлению цикла p_z и максимальному суммарному давлению р_mах = p_z - р_j.

У двигателей без наддува снижение скоростного режима при TP = const, как правило, сопровождается увеличением давления p_z, что обусловливается смещением начала видимого сгорания в сторону опережения. В двигателях с наддувом в связи с падением давления наддува давление р_z убывает, но р_тах увеличивается, так как с уменьшением частоты вращения существенно убывает сила инерции p_j.

Рост р_тах обусловливает повышение механических напряжений в деталях КШМ.

Таким образом, работа двигателя по внешней характеристике опасна, так как при уменьшении частоты вращения увеличивается механическая напряженность и не исключена возможность роста тепловой напряженности. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе режима работы главного двигателя, особенно при плавании в штормовую погоду, во льдах и при буксировках, т. е. именно в этих условиях двигатель выходит на режимы внешней характеристики - подача топлива остается постоянной, а частота вращения может снижаться при увеличении сопротивления движению судна.