CC BY
44
УДК 656.135/656.137
В. Н. Карнаухов
ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНУЮ МОЩНОСТЬ И РАСХОД ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
V. N. Karnaukhov
THE EFFECTS OF REVOLUTION RATE ON THE EFFICIENT POWER AND FIRING RATE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «TYUMEN STATE OIL AND GAS UNIVERSITY»
Аннотация. В статье представлены результаты теоретических расчетов и экспериментальных данных зависимости диапазона мощности двигателя от изменения частоты вращения и рабочего объема двигателя, в котором должен эксплуатироваться ДВС для получения оптимальной экономичности и надежности. Установлено, что экономия топлива при соблюдении рекомендованных требований по мощности и частоте вращения коленчатого вала для автомобилей КАМАЗ-5410 с двигателем КАМАЗ-740 достигает 18-23 %.
Ключевые слова: эффективная мощность; расход топлива; экономичность; частота вращения.
Владимир Николаевич Карнаухов
Vladimir Nikolaevich Karnaukhov доктор технических наук, профессор
Введение. Мощность двигателя, передаваемую от коленчатого вала потребителю, называют эффективной N.. Мощность, развиваемая газами в цилиндре двигателя, называется индикаторной мощностью N
Эффективная мощность изменяется с изменением угла опережения зажигания, который зависит от частоты вращения коленчатого вала, а также рабочего объема двигателя [1].
При проведенных исследованиях на кафедре эксплуатации автомобильного транспорта Тюменского государственного нефтегазового университета (далее - кафедра ЭАТ ТюмГНГУ) на двигателе КАМАЗ-740 подтверждено предложение, что процесс смесеобразования и сгорания в настоящее время не ограничивает возможности повышения частоты вращения дизельного ДВС. На любом скоростном режиме двигателя эффективная мощность мо-
Abstract. This paper presents the results of theoretical calculations and experimental data according to the change of the revolution rate and engine displacement, where the internal combustion engine must be used to get the optimum fuel economy and reliability. It was found that fuel economy under some recommended requirements about capacity and speed of the crankshaft for the automobiles such as KAMAZ- 5410 with the engine of KAMAZ- 740 reaches 18-23 %.
Key words: effective power; firing rate; economical operation; rotation frequency.
жет изменяться в интервале от минимальной частоты вращения двигателя до максимальной.
Скоростную характеристику при полной нагрузке называют внешней скоростной характеристикой [2].
При увеличении частоты вращения в реальном двигателе до максимальных значений недобор мощности из-за дополнительных потерь (насосных) составит, по данным кафедры ЭАТ ТюмГНГУ, на двигателе КАМАЗ-740 более 18-19 %.
Методика. Методика испытаний разработана в соответствии с требованиями ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Испытания двигателя на топливную экономичность проводили на тормозном стенде МПБ-32,7/28 с весовым устройством ВКМ-57. Для получения низких температур охлаждающей жидкости и топлива радиатор и топливный бак расположены вне помещения. С целью получения низких температур воздуха на входе в двигатель использован способ подачи в соответствии с патентом РФ №2162594 «Устройство для климатических испытаний двигателя внутреннего сгорания» (автор В. Н. Карнаухов).
Лабораторные исследования проводили в соответствии с п. 1.1 ГОСТ-20306-90 «Автотранспортные средства. Топливная экономичность». Параметр чувствительности мощности двигателя от ча-
стоты вращения определяли в результате стендовых и лабораторных испытаний двигателя КАМАЗ-740 в интервале частоты вращения 500-1500 об/мин и 1000-8500 об/мин для двигателя М2Я-2,3Ь3Т по формуле:
Pe=K'VV (Л/а)
(5)
S=(N -N )/(пф-п )
v e e опт7 v ф опт7
(1)
где N. - эффективная мощность двигателя,
N - минимальная (оптимальная) мощность,
е опт 4 ' '
Пф - фактическая частота вращения двигателя, попт - оптимальное частота вращения двигателя.
Результаты. Эффективную мощности двигателя определяли по формуле
N = N + S (пф - n )2,
e e опт ф опт
(2)
где 8 - параметр чувствительности мощности двигателя.
Частоту вращения ДВС определяли по формуле Пф^М^ефИРЛ) (3)
где Уь - рабочий объем ДВС,
Ре - среднее эффективное давление.
Подставляя формулу (3) в формулу (2) получаем
N = N + S(900-N ф/(Р -Vb) - п )2 (4)
е е опт 4 еф 4 е п7 опт7 4 '
При этом фактическую частоту вращения определяли с учетом среднего эффективного давления и рабочего объема ДВС. Для всех двигателей, работающих на жидком топливе, без наддува среднее эффективное давление определяли по формуле
где К=Н /1„ зависит от состава топлива и остается по-
^ u 0
стоянным для жидких топлив (Hu - низшая теплотворная способность воздуха, 10 - количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива), hv - коэффициент наполнения, ПМ - механический КПД, П - индикаторный КПД, а - коэффициент избытка воздуха.
После подстановки формулы (5) в (4) формула (4) примет вид
N = N опт + S(900^(K-V V (п/а)) - Попт)2. 6)
Значения эффективной мощности представлены в таблицах 1 и 2 для разных двигателей. На рисунках 1, 2 представлены зависимости, построенные на основании данных таблиц.
Расчеты по двум методикам позволяют определить зоны запаса мощности для различных двигателей, что очень важно при определении расхода топлива.
По этим формулам далее рассчитываем внешние скоростные характеристики по экспериментальным данным для двигателей КАМАЗ 740, установленном на автомобиле КАМАЗ 5410, и MZR-2.3 L3T - на автомобиле MAZDA CX-7. Значение параметра чувствительности мощности двигателя от частоты вращения определено экспериментально: для автомобиля КАМАЗ 5410 с двигателем КАМАЗ 740 значение S=0,00003 л.с./(об/мин), для автомобиля MAZDA CX -7 с двигателем MZR-2.3 LЗТ значение S=0,0000025 л.с./(об/мин).
Таблица 1 - Результаты показателей внешних скоростных характеристик
для двигателя КАМАЗ 740
По основным нормативным документам По методике 1, по формуле (4) По методике 2, по формуле (6)
п, % п, об/мин N, e' % N, e' л. с. п, % п, об/мин N, e' % N, e' л. с. п, % п, об/мин N, e' % N, e' л. с.
20 586 17 36 17 500 17,2 36,2 18 540 14,8 31,1
40 1172 41 86 33 1000 20 41,14 43 1290 24,3 51
60 1758 67 141 67 2000 45,7 96 70,5 2115 50,5 106
80 2344 87 183 83 2500 69,5 146 91,5 2745 84 176
100 2930 100 210 100 3000 100 210 105 3150 114,3 240
300
250
о 200 .й
о 150
3" о
2 100
50
0
№ 1 -по нормативам № 2 - по формуле 4 № 3 - по формуле 6
500
1000
2000 2500 3000 Частота вращения, об/мин
Рисунок 1 - Зависимость мощности от частоты вращения двигателя КАМАЗ 740
Все три характеристики имеют разные эффективные мощности и номинальные частоты вращения ДВС, но, несмотря на это, кривые 2 и 3 на рисунке 2 имеют одинаковый характер изменения эффективной мощности по мере возрастания частоты вращения ДВС. В результате испытаний подтверждено, что на малых числах оборотов ДВС прирост мощности замедляется и возрастает на средних и мак-
симальных [5]. Поэтому при нагрузках рекомендуется работа на средних и близких к максимальным показателям работы двигателей. При этом необходимо при протекании кривой эффективной мощности учитывать массовое наполнение, а также тепловые, насосные и механические потери при увеличении частоты вращения двигателя.
Таблица 2 - Результаты показателей внешних скоростных характеристик для двигателя М2Я 2,3 - ЬЗТ
По основным нормативным документам По методике 1, по формуле (4) По методике 2, по формуле (6)
П, % П, об/мин N, е7 % N, е7 л. с. П, % П, об/мин N, е7 % N, е7 л. с. П, % п, о б/мин N, е7 % N, е7 л. с.
20 1160 20 52 17,3 1000 21,4 53,8 16,5 1154 21,4 55,3
40 2320 50 130 51,7 3000 38 96 42 2950 28,6 74
60 3480 73 190 69 4000 55 138 65 4700 42 138,5
80 4640 92 238 86,2 5000 77 194 85,4 6154 69,5 205
100 5800 100 252 100 5800 99 249 100 7020 107 278
120 6960 92 238 120 6960 114 287 120 8400 130 340
Выводы. Эксплуатация ДВС происходит при разных нагрузках, скорости и дорожных условиях. Поэтому мощность двигателя должна обеспечивать соответствующие динамические и экономиче-
ские качества. Эффективная мощность ДВС всегда ограничена кривой внешней скоростной характеристики.
и О
X ?
о
400 350 300 250 200 150 100 50 0
1000 3000 4000 5000 5 800 6960 Частота вращения, об/мин
№ 1- по нормативам № 2 - по формуле 4 № 3 - по формуле 6
Рисунок 2 - Зависимость мощности от частоты вращения двигателя MZR 2,3
При этом, как видно из рисунка 1 и 2, эффективная мощность, получаемая в результате экспериментов, больше по внешней характеристике, чем частота вращения ДВС при N . Зона между кривыми № 2 и № 3 на рисунке 1 и рисунке 2 представляет собой запас мощности двигателя КАМАЗ-740 и М2Я 2,3, которая может быть израсходована на преодоление трения в ДВС, сопротивление воздуха при движении автомобиля и на ускорение движения. Запас мощности у двигателя КАМАЗ 740 меньше, чем у двигателя М2Я 2,3. Таким образом, во всем диапазоне изменения мощности, связанной с максимальной частотой вращения, любой двигатель должен работать устойчиво с оптимальной экономичностью, надежностью и долговечностью, поэтому переход с одного режима работы ДВС на другой необходимо осуществлять в максимально короткий срок. Для получения режима, соответствующего абсолютной внешней характеристике, давление и плотность поступающего в цилиндры воздуха должны быть постоянными, чтобы обеспечить соответствующую мощность. В зависимости от условий на каждой скорости движения потребление мощности изменяется в зависимости от режима работы ДВС, причем переход с одного режима на другой должен длиться не более 5 секунд. В резуль-
тате испытаний, проведенных на кафедре ЭАТ Тюм -ГНГУ, установлено, что экономия топлива для автомобиля КАМАЗ 5410 с двигателем КАМАЗ 740 достигает 18-23%, а для автомобиля MAZDA CX-7 с ДВС MZR 2,3-L3T - 25-30 %, при работе двигателей в зонах запаса мощностей (рисунки 1 и 2), что весьма существенно в условиях рыночной экономики.
Список литературы
1 Автомобильные двигатели / В. М. Архангельский [и др.] / отв. ред. М. С. Ховах. - М. : Машиностроение, 1977. - 591 с.
2 ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. - Введ. 01.01.1982. - М. : Издательство стандартов. - 42 с.
3 Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых двигателей / Д. Н. Вырубов [и др.]. - М. : Машиностроение, 1983. - 387 с.
4 Карнаухов В. Н. Сбережение топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации автомобильного транспорта в низкотемпературных условиях : монография. - Тюмень : Изд-во ТюмГНГУ, 2000. - 275 с.
5 Карнаухов В. Н., Карнаухова И. В. Топливная экономичность двигателей внутреннего сгорания // Вестник ИРГТУ. - 2014. - № 6. - С. 142-146.
