книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа

Загрузка двигателей шасси типа Ш-101 (с механической транс­ миссией) и Ш-104М (с гидрообъемной трансмиссией) по данным работы [58] составляет: при сплошной культивации 0,82—0,9; при посеве свеклы и гречихи 0,635—0,71; при междурядной куль­ тивации свеклы 0,425—0,625; при кошении трав 0,415—0,55.

При выполнении комплекса сельскохозяйственных работ сред­ няя загрузка двигателя трактора К-700 равна [30]: при севе 86,7%; при культивации 73—90%; при бороновании 70—77%; при пахоте 90—95%.

На транспортных работах двигатели различных тракторов загружены обычно на 55—65%.

Загрузка двигателей тракторов Т-ЮОМГС, Т-4 и ДТ-75 на различных работах при комплектовании агрегатов обычным набо­ ром сельскохозяйственных машин равна: при лущении, культи­ вации зяби и пахоте 0,84—0,97; при бороновании зяби 0,9—0,95; при посеве 0,78—0,91. Аналогичная картина наблюдается и по тракторам других марок.

Представляет интерес средняя загрузка двигателей при вы­ полнении тракторами с соответствующими рабочими машинами

от 24% на трамбовке силоса до 92% на лущении стерни. В сред­ нем по тракторному парку мощность двигателей использовалась на 69%.

Согласно исследованиям, выполненным акад. В. Н. Болтинским и другими авторами [42], двигатели сельскохозяйствен­ ных тракторов 33—52% времени работают с коэффициентом за­ грузки менее 0,6, а для скоростных тракторов время работы с ука­ занной загрузкой двигателя колеблется от 46 до 66% в зависи­ мости от зоны, вида работы и комплектования агрегата. В послед­ нее время в связи с увеличением скоростей движения и внедре­ нием технологии, связанной с совмещением операций, исполь­ зование мощности двигателей несколько увеличилось. Однако и сейчас оно составляет около 75—78%.

Приведенные значения степени загрузки тракторных двигате­ лей объясняются не только особенностями конструкций сельскохо­ зяйственных машин и комплектацией агрегата, но и особенностью режимов работы двигателя машинно-тракторного агрегата (МТА). При выполнении практически всего цикла сельскохозяйственных работ на вал двигателя действует неравномерный момент сопро­ тивления, в результате чего уменьшается развиваемая двигате­

10

лем мощность по сравнению с условиями равномерной нагрузки (см. п. 3). Однако стремление не допустить продолжительную ра­ боту двигателя в зоне перегрузок вынуждает резервировать часть мощности. Благодаря этому снижается степень использования мощ­ ности. Следовательно, в условиях работы двигателя при неравно­ мерной нагрузке нельзя даже в теоретическом плане говорить о полном использовании мощности. Загрузка тракторных двига­ телей в большой степени зависит также от особенностей комп­ лектации агрегата и условий его работы.

Изложенное относилось к эксплуатации двигателей во время выполнения основного технологического процесса, характеризуе­ мого так называемыми конечными загрузками. В начальной стадии технологического процесса (работа в начале гона, при заглубле­ нии и выглублении рабочих органов, транспортные работы и т. д.) двигатель имеет начальную, или исходную, загрузку, с которой осуществляется разгон двигателя и выход его на конечные за­ грузки. Начальные загрузки имеют определенное значение, ти­ пичное для каждого вида сельскохозяйственных операций. Ана­ лиз ряда работ показал, что пахотные, посевные, уборочные, про­ пашные, сеноуборочные агрегаты, а также агрегаты, комплектуе­ мые для культивации и транспортных работ, обеспечивают в ис­ ходный период загрузку двигателей тракторов на 25—40% при наиболее распространенной скорости движения агрегатов в этот период (3,5—5 км/ч).

Аналогично обстоит дело со степенью загрузки двигателей тракторов, эксплуатируемых в лесной промышленности.

Некоторые особенности в степени загрузки двигателей (и осо­ бенно конечной) имеют тракторы промышленного назначения. В частности, при эксплуатации тракторов со скреперными устрой­ ствами двигатели имеют высокую степень загрузки в период ра­ бочего цикла. Это вызвано тем, что в период набора грунта дви­ гатель работает на безрегуляторной ветви. Кроме того, не исклю­ чены резкие (мгновенные) падения степени загрузки двигателя в связи с выглублением ножа. Загрузка двигателей в период транс­ портировки грунта находится обычно в пределах величин, харак­ терных для тракторных транспортных агрегатов.

Автомобильные двигатели. Анализ исследований [9; 29; 48], специально посвященных изучению режимов работы автомобиль­ ных двигателей в эксплуатационных условиях, позволил установить типичную загрузку их на дорогах с различным покрытием и в раз­ нообразных по интенсивности условиях движения, среднюю про­ должительность работы двигателя на различных режимах, частоту включений передач (а следовательно, смены режимов работы), время движения на каждой передаче, а также время движения

свключенной коробкой передач при активной работе двигателя

ина тормозном режиме, время движения накатом и время работы на остановках. При езде в городских условиях двигатели легко­ вых автомобилей используют лишь 20—25% мощности от номи­

11

нальной, и более 85% времени активная работа их осуществляется в интервале 600—2300 об/мин. Для дорог с асфальтовым покры­ тием при неинтенсивном движении является характерной работа двигателя в течение более чем 70% времени в сравнительно узком скоростном диапазоне 2330—3000 об/мин. При этом даже на ско­ ростях около 75 км/ч преимущественно используется менее 60% от полной мощности двигателя.

Аналогична картина и для грузовых автомобилей. При испы­ таниях их в различных условиях рассматривались три показателя [29]: 1) коэффициент % , характеризующий использование макси­ мальной мощности двигателя и представляющий собой отношение средней эффективной за данный пробег мощности Necp к макси­ мальной мощности двигателя Nemax; 2) коэффициент нагрузки г\т, представляющий собой отношение среднего (по суммарному числу оборотов) крутящего момента М кР ср двигателя к максималь­ ному Л4кршах; 3) коэффициент использования оборотов максималь­ ной мощности г\п, характеризующий напряженность скоростного режима работы двигателя и равный отношению среднего за дан­ ный пробег числа оборотов двигателя в минуту па_ср к числу обо­ ротов «дтах при максимальной мощности. Результаты испытаний приведены в табл. 3. Температурный режим двигателя при этом характеризовался температурой воды 75—80° С и масла 80—90° С (в городских условиях температура воды и масла была

70° С).

Своеобразной является продолжительность работы двигателя на различных режимах в разнообразных условиях эксплуатации. По данным работы [9] эта продолжительность для легкового автомобиля М-21 Б при включенной коробке передач составляет при активной работе двигателя и на тормозном режиме (колен­ чатый вал приводится в движение от колес) соответственно: при

80 и 4%, на дорогах с асфальтовым покрытием при интенсивном движении около 71 и 16%, и на дорогах с булыжным покрытием 76 и 13%. Аналогичная картина сохраняется и для грузовых авто­ мобилей.

Т а б л и ц а 3

Показатели загрузки двигателей грузовых автомобилей

12

В практике эксплуатации автомобилей встречаются и другие значения коэффициентов использования максимальной мощности двигателя, нагрузки и использования оборотов максимальной мощности, особенно если учесть специфику эксплуатации автомобилей в горных условиях, с одним или двумя прицепами, в усло­ виях бездорожья, на перевозке тяжеловесных грузов и т. п. Од­ нако эти условия являются менее типичными, хотя и могут быть важными для конкретных обстоятельств.

Как показывает анализ отечественных и зарубежных иссле­ дований газотурбинных двигателей на автомобилях и тракторах в дорожных и стендовых условиях, начальные и конечные загрузки их практически не выходят за пределы типичных загрузок порш­ невых автотракторных двигателей. Не случайно поэтому ряд авто­ ров, изучающих неустановившиеся режимы работы автотрактор­ ных двигателей, для исследования выбирали режимы, обеспечи­ вающие загрузку двигателей в указанных выше пределах.

3. Особенности неустановившихся режимов автотракторных двигателей

Работа двигателей тракторов и автомобилей на неустановив­ шихся режимах сопровождается рядом специфических особен­ ностей, проявляющихся в своеобразных закономерностях измене­ ния энергетических и экономических показателей, которые, как правило, отличаются от таковых на установившихся режимах [12].

Неустановившийся характер нагрузки, вызываемый колеба­ нием или просто изменением ее, как правило, понижает мощность и экономичность автотракторного двигателя. Переход двигателя на режим разгона сопровождается увеличением эффективного рас­ хода топлива и уменьшением эффективной мощности и крутящего момента.

Характер изменения момента двигателя Мкр в случае, когда нагрузка изменяется по синусоидальному закону с частотой 0,5 Гц, представлен на рис. 2. [36]. Здесь же нанесена статиче­ ская характеристика, полученная в стендовых условиях. Законо­ мерность изменения момента для указанных условий неустано­ вившихся режимов описывается дифференциальным уравнением первого порядка

13

ho уравнению (2). Выделенная рабочая зона характеристики ти­ пична для пахотных и аналогичных им агрегатов. Как видно из рисунка, неустановившийся характер нагрузки существенно влияет на скоростной режим двигателя, вызывая колебание числа оборотов коленчатого вала. Это же подтверждается данными ра­

неравномерного крутящего момента сопротивления на валу дви­

14

Считая, что ох = 1, получим функцию стандартизованной кривой нормального распределения

где стандартизованное отклонение

Построение деформированных кривых крутящего момента и мощности показывает, что в условиях изменения нагрузки, опи­ сываемых законом нормального рас­ пределения, нельзя получить макси­ мальную мощность двигателя, раз­ виваемую в условиях равномерной

нагрузки. Уменьшение М скр проис­ ходит в зоне

Л*кр-Зам< М ' Р < М к Р + Зам.

(3 )

характере нагрузки достигает существенных значений, причем увеличение степени неравномерности нагрузки вызывает более интенсивное падение мощности.

Продолжительность выхода двигателя на конечный скорост­ ной режим (от момента начала включения муфты) на различных видах работ зависит от темпа включения муфты сцепления

(табл. 5).

Как видно из табл. 5, темп включения муфты (субъективный фактор) и коэффициент загрузки двигателя существенно влияют на продолжительность выхода двигателя на конечный скоростной режим (разгон). Если при этом учитывать не только скоростной режим, но и нагрузку и тепловое состояние двигателя, то послед­ ние два фактора и, особенно тепловое состояние, к этому времени не всегда стабилизируются. Процесс стабилизации их длится еще некоторое время.

По данным акад. В. Н. Болтинского [6], время включения муфты в большинстве случаев лежит в пределах от 1 до 2 с.

15

Т а б л и ц а 4

Влияние характера нагрузки на мощность двигателя КДМ-100 при вспашке различного фона

Относительная частота (темп) включения для транспортных, по­ севных и пахотных агрегатов видна из рис. 4.

Изложенное относится к разгону агрегата при неподвижном рычаге регулятора и максимальных начальных оборотах двига­ теля. При этом осуществляется так называемый неуправляемый разгон. Однако широко распространены разгоны, перед началом которых муфта выключена, а рычаг регулятора устанавливается так, что двигатель работает на малых оборотах. Такой разгон сопровождается тем, что одновременно с перемещением педали сцепления в направлении включения муфты поворачивается рычаг регулятора в сторону увеличения подачи топлива. При этом в пе­ риод буксования муфты обороты постепенно возрастают. После

Т а б л и ц а 5

Влияние темпа включения муфты сцепления на продолжительность разгона

динамики. Наглядное представление о влиянии скорости откры­ тия дросселя на динамику двигателя дает рис. 5.

При разгонах двигателя как при подвижной, так и при не­ подвижной дроссельной заслонке наблюдается несоответствие углов опережения зажигания составу смеси. Только одно это при­ водит к потере мощности до 10% от мощности установившихся режимов. Разгон двигателя всегда сопровождается изменением кинетической энергии подвижных масс, на что также расходуется часть мощности. Мощность, затрачиваемая на трение, на режимах

разгона незначительна, но вслед­ ствие различия тепловых со­ стояний двигателя и неидентичности условий смазки отли­ чается от мощности при уста­ новившемся режиме.

Нарушение процессов смесе­ образования при разгонах, уменьшение наполнения, несо­ ответствие углов опережения зажигания составу смеси и теп­ лового состояния деталей ре­ жиму работы приводят к ухуд­ шению процесса сгорания; это вызывает уменьшение мощности на величину, эквивалентную индикаторным потерям.

Перечисленные и некоторые другие факторы приводят к тому, что снижение мощности на режимах разгона карбюраторных .

Работа автомобильных дизельных двигателей на неустановившихся режимах также сопровождается рядом специфических особенностей. На режимах, сопровождаемых изменением нагрузки,

вдизелях меняется количество подаваемого в цилиндры топлива

итепловое состояние деталей. Это приводит к некоторому умень­ шению коэффициента наполнения при увеличении нагрузки и не­ изменных оборотах коленчатого вала. Одновременно с этим изме­ няется характер топливоподачи, процессов смесеобразования и сго­

рания, что приводит к ухудшению показателей двигателя на неустановившихся режимах.

При изменении скоростных режимов дизеля и неизменном по­ ложении рейки топливного насоса на рабочий процесс кроме теп­ ловой инерции влияют закон цикловой подачи топлива и характер движения воздушного потока. Кроме того, на эффективные пока­ затели дизеля при маневрировании скоростным режимом оказы­ вает влияние изменение затрат кинетической энергии на привод подвижных масс. Причем, так как последние у дизелей больше,

18

чем у карбюраторных двигателей, затраты мощности на их при­ вод больше затрат у карбюраторных двигателей.

Неустановившиеся режимы дизелей, вызываемые одновремен­ ным изменением скоростного и нагрузочного режимов, сопрово­ ждаются еще более значительным отклонением показателей от соответствующих им на установившихся режимах.

Эксплуатация газотурбинных двигателей (ГТД) на неустановившихся режимах также сопровождается отклонением значе­ ний их показателей от показателей установившихся режимов. Как показывают результаты исследований ГТД [19], параметры рабочего процесса его на режимах разгона существенно отли­ чаются от таковых на установившемся режиме. Это, в первую очередь, относится к термодинамическим показателям рабочего тела. Неустановившиеся режимы, связанные с увеличением ско­ ростного режима, сопровождаются забросами температур газа, что влечет за собой существенное изменение эффективных показа­ телей, а также температурных полей направляющих и рабочих лопаток двигателя.

Исследованиями установлено, что на характер изменения по­ казателей эффективности и экономичности оказывают влияние ряд эксплуатационных факторов и в частности исходный режим перед разгоном, закон подачи топлива в камеру сгорания, ско­ рость изменения положения регулирующего органа и др.

Отличительная особенность газотурбинного двигателя от порш­ невого при разгонах состоит в значительном изменении скорост­ ного режима турбины, соединенной с приводными механизмами. В зависимости от типа ГТД это накладывает ряд принципиаль­ ных особенностей на закономерности изменения основных пока­ зателей двигателя. Так, у одновальных двигателей изменение скоростного режима приводных механизмов вызывает изменение скорости компрессора и, следовательно, его характеристик. Это сразу же сказывается на термохимических и газодинамических процессах, протекающих в камере сгорания. Последние предопре­ деляют параметры рабочего тела, а значит, энергетические и эко­ номические показатели двигателя. Аналогичные режимы у двухвальных двигателей протекают с меньшим нарушением показате­ лей рабочего процесса, так как изменение скоростного режима при­ водных механизмов мало влияет на характеристики турбокомпрес­ сора, имеющего с тяговой турбиной только газодинамическую связь. Однако показатели динамики и в этих условиях суще­ ственно зависят от ряда эксплуатационных факторов и параметров рабочего тела. Неустановившиеся режимы двухвальных ГТД, связанные с маневрированием сектором газа'и, следовательно, скоростным режимом турбокомпрессора, а часто по причине из­ менения нагрузки и скоростным режимом тяговой турбины, яв­ ляются наиболее сложными и протекают со значительными откло­ нениями термодинамических, энергетических и эффективных по­ казателей от соответствующих им на установившихся режимах.