Каждый режим работы двигателя характеризуется совокупностью многих параметров, отражающих те или иные его свойства. К числу таких параметров можно отнести: N_е — эффективную мощность; M — крутящий момент; ? — угловую скорость коленчатого вала; р_к —давление наддува; g_e — эффективный удельный расход топ­лива; Т — температуру охлаждающей воды; ? — коэффициент избытка воздуха; ?_e— эффективный КПД; h — положение рейки топливного насоса (органа управления); ?— положение рычага управления автоматическим регулятором и др.

Режим работы двигателя называется установившимся, если числовые значения всех названных (и многих других) параметров двигателя сохраняются постоянными во времени. При этом необ­ходимо учитывать, что двигатель является машиной цикличе­ского действия, в связи с чем даже у многоцилиндровых двигателей с большой частотой вращения коленчатого вала не удается обес­печить точного поддержания значения того или иного параметра на выбранном установившемся режиме. Например, колебания угловой скорости на установившихся режимах работы двигателя определяются степенью нестабильности [10], т. е. параметром, характеризующим размах амплитуды колебаний относительной мгновенной угловой скорости. Для различных двигателей сте­пень нестабильности имеет значение от 1 до 4%. В этом случае при заданном установившемся режиме выбирают среднее значе­ние угловой скорости за определенный интервал времени (напри­мер, за один или несколько оборотов коленчатого вала).

Двигатель работает на установившемся режиме при выпол­нении таких условий статического равновесия, как равенство вы­работанного двигателем и израсходованного потребителем коли­чества энергии, выделенной и отведенной теплоты, подведенного и отведенного воздуха или газа, и т. п. Эти условия могут быть выражены уравнениями статического равновесия:

двигателя

M — М_с = 0;                                                                            (1)

системы охлаждения

Q_n — Q_P = 0;                                                                                                       (2)

впускного коллектора

G_к — G_д = 0;                                                                          (3)

выпускного коллектора

G_г — G_т = 0;                                                                           (4)

турбокомпрессора

М_т — М_к = 0                                                                           (5)

и других элементов двигателя.

В приведенных уравнениях: M — крутящий момент двигателя; M_с — момент сопротивления (момент потребителя); Q_n — коли­чество теплоты, поступившей от двигателя в систему охлаждения в единицу времени; Q_p — количество теплоты, отданной системой охлаждения через радиатор в ту же единицу времени; G_K — количество воздуха, поданного ком­прессором во впускной коллек­тор в единицу времени; G_д— количество воздуха, поступив­шего в цилиндры двигателя в ту же единицу времени; G_г — количество отработавших газов, поступающих в единицу време­ни из цилиндров двигателя в выпускной коллектор; G_т—ко­личество отработавших газов, поступивших на лопатки турбины из выпускного коллектора в ту же единицу времени; М_т — крутя­щий момент турбины и М_к — момент сопротивления компрессора.

Уравнения статического равновесия (1) —(5) и другие обусло­вливают также и часто используемое название установившихся режимов — равновесные режимы, при которых обеспечивается равновесие в общем случае прихода и расхода энергии или массы.

Диапазон изменений каждого параметра обусловливается наз­начением двигателя и ограничивается его прочностными, тепло­выми и газодинамическими возможностями. Например, угловая скорость коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания мо­жет изменяться в ограниченных пределах. Ряд факторов не поз­воляет превышать заданной максимальной угловой скорости вала ?_maх, так как это влечет за собой превышение допустимых значе­ний сил инерции в деталях двигателя с точки зрения их прочности, приводит к ухудшению качества протекания рабочих процессов в цилиндре двигателя, увеличивает термическое перенапряжение деталей двигателей и т. п.

В некоторых случаях двигателю приходится работать при са­мой малой частоте вращения вала (например, при стоянке тепло­воза перед семафором). При этом скоростной режим должен быть таким, чтобы двигатель работал устойчиво. Если снизить угловую скорость вала ниже допустимого минимального предела ?_min, то появятся перебои в работе, в результате чего двигатель может самопроизвольно остановиться.

Следовательно, скоростные режимы двигателя ограничены как верхним ?_mах/?_ном, так и нижним ?_min/?_ном пределами (рис. 21).

На каждом скоростном режиме мощность двигателя может изме­няться от нулевой (холостой ход) до максимальной, которую спо­собен развить данный двигатель при заданном скоростном режиме. Максимальная мощность обусловливается максимальной нагрузкой при которой еще не нарушаются нормальные условия протекания процессов в цилиндре двигателя.

Из сказанного следует, что возможные установившиеся режимы работы двигателя охватывают некоторую область, которую можно изобразить графически в виде заштрихованной площади (рис. 21), ограниченной по оси ординат максимально возможной мощностью N_e/N_{e ном} при выбранном скоростном режиме, а по оси абсцисс — минимальным ?_min/?_ном и максимальным ?_mах/?_ном скорост­ными режимами. Точка А с координатами (1; 1) соответ­ствует номинальному режиму работы. Обычно технические усло­вия предусматривают возможность кратковременной перегрузки двигателя на 10—15%. На рис. 21 этот режим отмечен точкой В. Точка С соответствует режиму работы холостого хода при номиналь­ной угловой скорости, точки D и E соответствуют минимально возможному скоростному режиму.

Между параметрами, характеризующими работу двигателя на каждом установившемся режиме, существуют определенные функ­циональные зависимости, определяемые теорией рабочих процес­сов двигателя.

Так, эффективный КПД двигателя

связан со средним индикаторным давлением механическим КПД ?_м, давлением наддувочного воздуха р_к и его температурой Т_к, коэффициентом наполнения ?_m; М₁ — действительное количество воздуха в цилиндре двигателя после дозарядки при давлении р_к и температуре Т_к; Н_и — теплота сгорания топлива.

Среднее эффективное давление

где ? — коэффициент избытка воздуха; р_к — плотность воздуха; ?_i и ?_m — соответственно индикаторный и механический КПД; ?_? — коэффициент наполнения.

В обобщенной форме этой зависимости можно придать вид

Каждый установившийся режим двигателя всегда определя­ется постоянством во времени всех параметров, входящих (и не входящих) в зависимость (6). Эту зависимость можно представить в виде некоторой многомерной поверхности, каждая точка кото­рой определяется совокупностью конкретных числовых значений всех параметров, входящих в функциональную зависимость (6) и соответствующих определенному установившемуся режиму.

Однако во многих случаях нет необходимости учитывать все возможные параметры, характеризующие работу двигателя на установившемся режиме. В этих случаях выбирают один, два, три или несколько параметров, представляющих наибольший интерес; например, к числу таких параметров можно отнести М — крутя­щий момент двигателя; ? — угловую скорость коленчатого вала; h — положение рейки топливного насоса или g_ц — цикловую подачу топлива. Если за положительное направление перемеще­ния рейки принять ее перемещение в сторону уменьшения цикло­вой подачи топлива, то эти три параметра в совокупности дадут некоторую поверхность А (рис. 22). Каждая точка поверхности А соответствует одному установившемуся (равновесному) режиму.

Иногда для характеристики установившегося режима работы двигателя из всего многообразия параметров (6) выбирают по­стоянство какого-то одного параметра и по его значениям харак­теризуют тот или иной установившийся режим работы двигателя. Например, постоянное числовое значение крутящего момента двигателя свидетельствует об соответствующем установившемся нагрузочном режиме (М = const при h = var; ? = var), постоян­ное значение угловой скорости вала ? — об определенном уста­новившемся скоростном режиме (? — const при М = var; h = var), называемом стационарным. Постоянное значение темпе­ратуры охлаждающей воды Т свидетельствует об соответствующем тепловом режиме двигателя и т. д. В некоторых случаях на всех возможных установившихся режимах между отдельными параме­трами выдерживается определенная связь. Так, между моментом сопротивления М_с гребного винта и его угловой скоростью имеется зависимость М_с = Ф_с?², поэтому на параболе ЕА (см. рис. 21) укладываются все статические установившиеся режимы судового двигателя, а сама парабола ЕА соответствует судовым условиям работы двигателей.

В транспортных условиях двигатель может иметь любые ре­жимы: как скоростные, так и нагрузочные. Заштрихованная пло­щадь на рис. 21 характеризует, таким образом, область возмож­ных режимов работы двигателя в транспортных условиях.

Если в процессе эксплуатации двигатель работает на ряде установившихся скоростных и нагрузочных режимов, то часто говорят, что такой двигатель работает на переменных режимах. Например, можно сказать, что транспортный двигатель может ра­ботать на переменных скоростных и нагрузочных режимах, в то время как стационарный дизель-генератор должен иметь один установившийся скоростной режим при переменных нагрузочных режимах.