Равновесный режим работы двигателя может поддерживаться в течение конечного интервала времени только при условии ра­венства количества энергии, вырабатываемой двигателем, количеству энергии, поглощаемой потребителем. Если эти количества энергии охарактеризовать крутящим моментом двигателя М и моментом сопротивления М_с, приведенным к валу двигателя, то условие получения равновесного режима обусловливается урав­нением статического равновесия (1). Частота вращения коленчатого вала при этом остается постоянной во времени.

На рис. 26 приведен график, на котором совмещены характе­ристики двигателя (кривые 1, 2, 3 и 4) с характеристиками потре­бителя (кривые 5, 6, 7 и 8). Точки пересечения их (А, В, С и т. д.) характеризуют установившиеся режимы работы, так как удовлет­воряют условию (1). График показывает также и то, что при выб­ранных положениях органа управления (выбрана частичная ха­рактеристика двигателя, например, кривая 2) и ха­рактеристике потребителя (например, кривая 6) равновесный режим (точка В) для данного вида характеристик соот­ветствует определенной угловой скорости ?_B.

Установившийся режим работы двигателя с течением времени может нарушаться по различным причинам, вызывающим кратко­временные изменения в условиях работы или двигателя, или потребителя. К таким причинам можно отнести, например, пропуск вспышки в одном из цилиндров двигателя, отчего получается крат­ковременное уменьшение крутящего момента (по существу кратковременный переход на другую частичную характеристику) или оголение гребного винта судна во время штормовой погоды, вы­зывающее изменение характеристики сопротивления (вместо харак­теристики 6 для гребного винта, находящегося в воде, в этот мо­мент действует характеристика 8 для гребного винта, находяще­гося в воздухе).

Нарушение установившегося режима работы двигателя вызы­вает отклонение частоты вращения вала в ту или иную сторону. При оголении гребного винта нагрузка главного двигателя резко уменьшается, поэтому частота вращения вала увеличивается и ока­зывается больше частоты вращения вала при равновесном режиме (?_в) в момент погружения винта, когда характеристикой сопро­тивления вновь становится кривая 6. Работа главного двигателя в этот момент зависит от взаимного протекания характеристик двигателя и потребителя. Действительно, при новой угловой ско­рости ?_в^’ > ?_в (рис. 27, а) момент сопротивления М_с становится больше крутящего момента двигателя М, вследствие чего угловая скорость вала уменьшается и равновесный режим восстанавли­вается.

При пропуске вспышки частота вращения вала, наоборот, уменьшается до значения ?_в^”<?_в, вследствие чего момент сопротивления М_с окажется меньше крутящего момента двига­теля М. Это вновь вызовет увеличение частоты вращения вала и, так же как и в предыдущем случае, восстановление установив­шегося режима ?_в.

Способность двигателя восстанавливать равновесный режим без воздействия на орган управления называется самовыравниванием (устойчивостью). В этом случае считают, что двигатель обла­дает положительным самовыравниванием или имеет устойчивые равновесные режимы работы.

Устойчивый равновесный режим двигателя аналогичен край­нему нижнему положению шарика на вогнутой поверхности (рис. 27, а).

При ином взаимном протекании характеристик двигателя и по­требителя в точке равновесного режима последний может быть слабо устойчивым или неустойчивым вообще (рис. 27, б). Действи­тельно, при отклонении скоростного режима от равновесного ?_в, например, в сторону увеличения угловой скорости ?_в^’>?_в, крутящий момент двигателя М оказывается больше момента со­противления М_с. Поэтому в системе двигатель—потребитель по­является избыток энергии, что вызывает увеличение частоты вра­щения, и равновесный режим ?_в, таким образом, не восстанавли­вается. При уменьшении угловой скорости до ?_в^’ крутящий мо­мент двигателя М становится меньше момента сопротивления М_с, в результате чего происходит дальнейшее снижение частоты вра­щения вплоть до самопроизвольной остановки двигателя. Это зна­чит, что равновесный скоростной режим в точке В является не­устойчивым.

Неустойчивый режим двигателя аналогичен положению ша­рика, находящегося в крайней верхней точке выпуклой поверх­ности (при малейшем отклонении шарик не вернется в прежнее положение). В этом случае двигатель обладает отрицательным само­выравниванием.

Наконец, если характеристики двигателя и потребителя сов­падают всеми своими точками в некотором диапазоне скоростных режимов, то двигатель в этом случае обладает нулевым самовырав­ниванием. Такой режим двигателя аналогичен положению шарика на горизонтальной плоскости.

Таким образом, устойчивость режимов работы двигателей опре­деляется взаимным влиянием характеристик двигателя и потре­бителя. Поэтому один и тот же двигатель с одним потребителем может работать на хорошо устойчивых режимах, а с другим — на слабоустойчивых или вообще неустойчивых режимах.

Понятие устойчивости включает, следовательно, не только ка­чественную характеристику режима работы двигателя, но и ко­личественную, так как устойчивые (или неустойчивые) режимы ра­боты неравноценны. Для уяснения этого положения достаточно проанализировать режим в точке В (см. рис. 27, а), образуемый пересечением характеристики потребителя (кривая 2) с характери­стиками двух различных двигателей (кривые 1 и 3). Восстановле­ние режима в точке В происходит из-за избытка (при уменьшении ?) или недостатка (при увеличении ?) крутящего момента.

Чем больше избыток или недостаток крутящего момента при том же отклонении частоты вращения от равновесной, тем большее количество энергии участвует в восстановлении равновесного режима и тем быстрее (при про­чих равных условиях) последний будет восстановлен.

При уменьшении угловой скорости до ?_в^” двигатель, имеющий характеристику 1, получит избыток крутящего момента

?М_і = М” — М”_с,

а двигатель, имеющий характеристику 3, избыток крутящего мо­мента

?М₂ = М”’ — М”_c,

но так как ?М₁ > ?М₂, то режим работы первого двигателя бо­лее устойчив, чем второго.

Устойчивость работы зависит от дисбаланса крутящего момента двигателя и момента потребителя при данном отклонении угловой скорости от равновесного режима. Поэтому оценкой устойчиво­сти режима работы двигателя может служить отношение

F_д=?M’/?? ,

называемое фактором устойчивости двигателя.

При выбранном отклонении скоростного режима ?? (рис. 28) разность ?M’ момента сопротивления и крутящего момента дви­гателя может быть принята приближенно равной отрезку между касательными 3 и 4, проведенными к характеристикам 1 и 2 в точке равновесного режима В. Из графика видно, что ?М' будет тем точнее соответствовать действительному дисбалансу ?М_д, чем меньше ??. Принимая отклонение скоростного режима от равно­весного малым, фактор устойчивости можно представить в виде

При известных углах ?_с и ?_е наклона касательных в точке В равновесного режима приращения ?М_с момента сопротивления и ?М крутящего момента двигателя определяются соотношениями

Здесь использованы частные производные, так как момент сопроти­вления зависит не только от скоростного режима, но и от настройки потребителя (например, от выбора передачи в коробке передач или от шага ВИШ), а крутящий момент двигателя зависит, кроме угловой скорости вала, от положения органа управления. С уче­том этих соотношений

F_д=дМ_с/д? – дМ/д?

Характер сил, появляющихся при выводе коленчатого вала двигателя из состояния равновесного вращения, определяется знаком F_д. Если дМ_с/д? > дМ/д? характеристика сопротивле­ния будет более крутой, чем характеристика двигателя, и режим работы будет устойчивым. Фактор устойчивости F_д при этом по­ложителен, и двигатель имеет положительное самовыравнивание. Если дМ_с/д? < дМ/д?, то F_д<0, режим неустойчив, а двигатель обладает отрицательным самовыравниванием.

Сравнение характеристик карбюраторного двигателя (см. рис. 23, а) с характеристиками потребителя (см. рис. 25) позволяет заключить, что карбюраторные двигатели имеют существенное положительное самовыравнивание (F_д > 0), в то время как у ди­зелей фактор устойчивости либо положителен, но мал по абсолют­ной величине (рис. 29), либо имеет даже отрицательное значение (см. рис. 27, б).