Автоматизация управления установок с ДВС., страница 3

2.2. Двигатель внутреннего сгорания как объект
регулирования по скорости

2.2.1. Статические характеристики объекта

Объектом регулирования является совокупность двигателя и приводимого им агрегата (генератора, судовой пропульсивной системы, транспортного средства). Статической характеристикой объекта является зависимость параметров подвода и отвода от управляемого параметра, в данном случае – зависимости эффективного момента двигателя М_дви момента сопротивления на валу двигателя М_с от частоты вращения w (рис. 2).

Форма характеристик подвода и отвода зависит от типа двигателя и вида приводимого агрегата. Поскольку возможны различные комбинации двигателя и агрегата, целесообразно рассмотреть характеристики двигателей и агрегатов по отдельности.

1. Скоростные характеристики двигателей с искровым зажиганием. Из определения характеристик подвода очевидно, что они идентичны в данном случае скоростным характеристикам двигателя. Для двигателей с принудительным воспламенением основным фактором, определяющим зависимость крутящего момента М_е от скорости вращения w, является коэффициент наполнения h_v:

Как известно из теории ДВС, коэффициент избытка воздуха a и индикаторный КПД h_i двигателей с принудительным воспламенением изменяются в сравнительно узком диапазоне. Коэффициент наполнения определяется преимущественно потерями давления во впускной системе, возрастающими, грубо говоря, пропорционально квадрату скорости воздуха. Одновременно растут и насосные потери, которые включаются в состав механических потерь М_т. С другой стороны, потери на впуске значительно возрастают по мере прикрытия дросселя, т.е. на частичных нагрузках.
В совокупности эти факторы предопределяют падение крутящего момента двигателей с принудительным воспламенением по мере увеличения частоты вращения, причем эта тенденция усиливается при переходе с режимов полной нагрузки на частичные (рис. 3, а).

2. Скоростные характеристики дизелей. В дизеле крутящий момент определяется преимущественно цикловой подачей топлива g_ц

Изменение последней в зависимости от частоты вращения определяется, применительно к наиболее распространенным топливным насосам золотникового типа, тремя факторами: дросселированием топлива во впускных и отсечных каналах, утечками по зазорам прецизионных пар и сжимаемостью топлива в полостях высокого давления. Два первых фактора вызывают увеличение цикловой подачи с ростом частоты вращения, причем их влияние усиливается с уменьшением подачи. Сжимаемость, напротив, снижает подачу с увеличением давления впрыска, т.е. с ростом частоты вращения. Влияние этого фактора уменьшается при снижении величины подачи. В совокупности действие всех трех факторов приводит к тому, что на режимах максимальной подачи кривая момента имеет небольшой максимум, а по мере снижения нагрузки приобретает все более явно выраженный нарастающий характер
(рис. 3, б).

3. Характеристики потребителей. Типичными потребителями мощности ДВС являются судовые пропульсивные системы, электрогенераторы и колесный привод транспортных средств.

а) Привод винта

Нагрузка на валу судового двигателя с непосредственным приводом винта представляет собой так называемую винтовую характеристику с квадратичной зависимостью момента от скорости вращения винта. Суда водоизмещающего типа с винтом постоянного шага имеют единственную винтовую характеристику, с винтом переменного шага – семейство таких характеристик (рис. 4, а, б). Винтовая характеристика быстроходных судов на подводных крыльях имеет два участка разной крутизны, соответствующие водоизмещающему режиму и движению после выхода на крыло. Эти два участка соединяются переходным участком выхода на крыло, где имеется местный максимум момента (рис. 4, в). Как видно, угол наклона касательной к винтовым характеристикам положителен в любой точке, кроме участка выхода
на крыло судов на подводных крыльях.

Имеет смысл обратить внимание на то, что кривая нагрузки может выродиться в прямую линию, совпадающую с осью абсцисс, при оголении винта или обрыве валопровода.