книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

фпциента а. Улучшения же топливной экономичности можно достигнуть, повышая степень сжатия е и увеличивая коэффи­ циент а. Следовательно, для повышения мощности и улучше­ ния топливной экономичности двигателей необходимо увеличивать степень сжатия и обеднять горючую смесь, что позволяет наибо­ лее эффективно использовать преимущества высоких степеней сжатия.

Работу карбюраторного двигателя на обедненных смесях можно обеспечить установкой двух последовательно работающих карбю­ раторов. При работе на малых передних нагрузках смесь поступает нз карбюратора, отрегулированного иа обедненную смесь. В случае же работы на больших нагрузках вступает в действие второй карбюратор, отрегулированный на обогащенную смесь. Однако при воспламенении смеси посредством свечи при обычной (не­ электронной) системе зажигания обеспечить бесперебойное вос­ пламенение сильно обедненной смеси невозможно. Карбюратор­ ный двигатель может работать на бедных рабочих смесях при факельном способе воспламенения (см. гл. VI).

Повысить мощность двигателя можно, используя двухтакт­ ный цикл (т = 2). Теоретически при прочих равных условиях двухтактный цикл сравнительно с четырехтактным обеспечивает увеличение литровой мощности двигателя в 2 раза. Однако в дей­ ствительности литровая мощность двухтактных двигателей по сравнению с литровой мощностью соответствующих четырех­ тактных двигателей больше всего лишь на 40-^-70%. Это объяс­ няется потерей части рабочего объема цилиндра из-за продувочных окон, затратой некоторой мощности на сжатие продувочного воз­ духа или смеси и потерей в карбюраторных двигателях части горючей смеси при очистке цилиндров от продуктов сгорания.

При увеличении произведения г |у р0 увеличивается масса

заряда и литровая мощность двигателя, так как в этом случае больше сгорает топлива в единице рабочего объема цилиндра.

Коэффициент наполнения г|у и плотность заряда р0 можно

увеличить, снижая гидравлические сопротивления и уменьшая подогрев заряда при впуске, а также применяя наддув.

В современных автомобильных двигателях с высокими сте­ пенями сжатия и нижним расположением клапанов коэффициент т|у невелик, так как уменьшение размеров камеры сгорания вызывает уменьшение площади проходного сечения, через кото­ рое смесь поступает в цилиндр. При средних степенях сжатия площадь проходного сечения достаточно велика, но с повыше­ нием степени сжатия эта площадь настолько уменьшается, что вызывает значительное снижение коэффициента т)у, а следова­ тельно, и уменьшение среднего эффективного давления.

Установка верхних (подвесных) клапанов вместо нижних позволяет сохранить или даже увеличить коэффициент т)у не только при повышении степени сжатия, но также и при увели­ чении угловой скорости коленчатого вала двигателя.

60

На рис. 18 изображен график зависимости прироста (в про­ центах) среднего эффективного давления от степени сжатия при иижием и верхнем расположении клапанов. В случае нижнего расположения клапанов (кривая 1) при повышении степени сжатия от 6 до 9,5 среднее эффективное давление увеличивается на 6 % и при дальнейшем увеличении степени сжатия начинает

уменьшаться. Это происходит главным образом вследствие умень­ шения коэффициента наполнения. При верхнем же расположении клапанов (кривая 2) повышение степени сжатия от 6 до 9,5 вызы­

вает увеличение среднего эффективного давлеппя на 15%. Даль­ нейшее повышение степени сжатия со­

вая мощность прямо пропорциональна угловой скорости колен­ чатого вала двигателя. Однако эта зависимость справедлива лишь в узком диапазоне угловых скоростей при незначительном изменении давления р к или момента М е, т. е. около максимальных значений ретах или МетахПовышение литровой мощности двига­ теля при увеличении угловой скорости возможно только при качественном протекании рабочего процесса, высоком значении коэффициентацу и незначительном снижении механического к. п. д.

Так как величина отношения Зг, которая характеризует

качество протекания рабочего процесса, незначительно изме­ няется с увеличением угловой скорости, то изменение литровой мощности по угловой скорости в основном зависит от произве­ дения т|у1]мсов. Следовательно, при повышении угловой скорости

коленчатого вала двигателя необходимо обеспечить максимальные значения коэффициентов г|у и %, которые зависят главным обра­ зом от гидравлических сопротивлений на впуске и средней ско­ рости поршня.

61

Г л а в а V

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ

Автомобильные двигатели могут работать при различных угло­ вых скоростях, и поэтому их скоростные режимы могут изме­ няться в широких пределах. Минимальная угловая скорость ограничена устойчивой работой двигателя, а максимальная — качественным протеканием процесса газообмена, тепловой на­ пряженностью деталей, повышением инерционных нагрузок", сни­ жением механического к. п. д. и др. В этих пределах угловых скоростей двигатель работает в эксплуатации при различных значениях нагрузки.

Оптимальными режимами работы двигателя являются такие, при которых, например, обеспечена или максимальная мощность Ncmnx, или максимальный крутящий момент Мегаах, илп мини­ мальный удельный расход топлива gv,rnjn. Эти режимы в каждом конкретном случае определяются назначением двигателя и усло­ виями его эксплуатации.

Режим работы автомобильного двигателя во время эксплуа­ тации определяется условием равенства эффективной мощности двигателя и мощности сопротивлений движению (потребляемой мощности), которая обычно изменяется в довольно широких пределах.

Потребляемая мощность зависит не только от скорости ав­ томобиля, но в значительной степени и от таких факторов, как состояние дороги, нагрузка автомобиля, интенсивность разгона ит. п. Эксплуатационный режим работы автомобильного двигателя является неустановившимся, так как нагрузка двигателя непре­ рывно изменяется. В случае кратковременного повышения со­ противления движению последнее может быть преодолено за счет кинетической энергии, накопленной автомобилем при его разгоне, а при более длительном и значительном сопротивлении — за счет запаса крутящего момента двигателя. Крутящий момент карбюраторных двигателей увеличивают открытием дроссельной заслонки, а дизелей — поворотом плунжеров топливного насоса высокого давления в сторону увеличения подачи топлива. Поэтому при анализе работы двигателя не следует ограничиваться изу­ чением только какого-либо одного постоянного режима, а необ­ ходимо исследовать работу двигателя на различных режимах.

63

Для оценки мощиостиьтх н экономических показателей работы двигателя в различных условиях эксплуатации пользуются так называемыми характеристиками двигателя. Характеристикой двигателя называют выраженную графически зависимость таких основных показателей его работы, как мощность, крутящий момент, расход топлива от угловой скорости, нагрузки и других параметров двигателя. Основными характеристиками автомо­ бильных двигателей являются скоростные, нагрузочные и регу­ лировочные.

Мощнпстные и экономические показатели работы двигателя в значительной степени зависят от регулировки его узлов. Поэ­ тому перед снятием основных характеристик двигателя снимают его регулировочпьте характеристики. Регулировочные характе­ ристики необходимы для определения оптимальных показателей работы двигателя в зависимости от состава горючей смесп, угла опережения зажигания, количества впрыскиваемого топлива и момента его подачи и др.

§ I. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Скоростная характеристика двигателя представляет собой выра­ женную графически зависимость основных параметров, харак­ теризующих работу двигателя (мощность, крутящий момепт и др.),

полностью открытой дрос­ сельной заслонке или максимальной подаче топлива, называют внешней (кривые Ne и Мр на рис. 19). Таким образом, по внешней скоростной характеристике определяют наибольшие мощности, которые может развить данный двигатель при раз­ личных угловых скоростях. Характеристики, полученные при неполных открытиях дроссельной заслонки или неполных подачах топлива, называют частичными скоростными характеристиками

(кривые А на рис. 19).

64

Различают следующие характерные угловые скорости коленча­ того вала двигателя:

Mmin — минимальная угловая скорость, при которой двигатель работает устойчиво с полной нагрузкой; у автомобильных двигателей угловая скорость comin находится в пределах 40—60 рад/с; в случае работы на холостом ходу она уменьшается;

“ м — угловая скорость, соответствующая максимальным зна­ чениям крутящего момента М(,тах и среднего эффектив­ ного давления ретах;

(B]v — угловая скорость, соот­ ветствующая макси­ мальной мощности дви­ гателя;

©max — угловая скорость, соот­ ветствующая макси­ мальной скорости авто­ мобиля (при установке на двигатель ограничи­ теля или регулятор аона равна угловой скорости, при которой они начи­ нают срабатывать).

Автомобильный карбюратор­ ный двигатель в условиях эксп­ луатации работает в основном в интервале угловых скоростей

сом — содг. В этом интервале обычно переключают передачи в коробке передач, а также определяют минимальный удельный расход топлива £ет|П. Наилучшую топливную экономичность двигателя можно обеспечить при наименьших изменениях удель­ ного расхода топлива в указанном интервале угловых скоростей.

На рис. 20 показана скоростная характеристика дизеля при работе с регулятором угловой скорости. Максимальная мощность Листах дизеля находится в зоне дымления и расположена вне регуляторной ветви кривой.

Из приведенных выше скоростных характеристик следует, что эффективная мощность двигателя по мере увеличения угловой скорости сначала увеличивается, а затем, достигнув максималь­ ного значения, уменьшается. Максимальную мощность Nemax двигатель развивает в тот момент, когда повышение мощности при увеличении угловой скорости (частоты циклов) полностью компенсируется уменьшением среднего эффективного давления ре. С повышением угловой скорости давление р е уменьшается из-За ухудшения наполнения двигателя и увеличения механических потерь.

Скоростную характеристику реального (выпускаемого) дви­ гателя строят на основании данных, полученных в результате

его испытаппя иа специальном стенде. Если необходимо построить скоростную характеристику для вновь проектируемого двига­ теля, то ее строят по результатам теплового расчета или с по­ мощью эмпирических формул.

Для построения скоростной характеристики по результатам теплового расчета необходимо произвести серию довольно тру­ доемких тепловых расчетов. Отсутствие экспериментальных данных для разных скоростных режимов двигателей различных типов не позволяет с достаточной точностью задаваться исходными вели­ чинами. Поэтому такой способ построения скоростной харак­ теристики двигателя не всегда дает удовлетворительные резуль­ таты, вследствие чего для вновь проектируемого двигателя ее в большинстве случаев строят с помощью одной из эмпирических формул.

Скоростную характеристику двигателя можно построить по эмпирической формуле в том случае, если известны максимальная мощность N emax (в кВт) и угловая скорость СОд/ (в рад/с).

В настоящее время пользуются несколькими эмпирическими формулами, предложенными различными авторами. Ниже при­ ведены некоторые из них.

Для карбюраторных двигателей

для дизелей с неразделенной камерой сгорания

где Ne и — эффективная мощность в кВт и угловая скорость коленчатого вала в рад/с в искомой точке ско­ ростной характеристики двигателя.

Задаваясь угловыми скоростями сое и определив соответствую­ щие им значения мощностей Ne, можно построить скоростную характеристику мощности Ne =f(coe), а затем и скоростную ха­ рактеристику момента Ме = /(сое). Значения крутящего момента Ме определяют по формуле

66

Пример. Рассчитать внешнюю скоростную характеристику четырех­ тактного карбюраторного двигателя, развивающего максимальную эффек­ тивную мощность 7Vemax — 72 кВт при угловой скорости коленчатого вала

Эффективный крутящий момент при той же угловой скорости [фор­ мула (68)]:

.25 000

136 -=184 Н -м .

Величины мощности и момента при других значениях угловой скорости коленчатого вала приведены в таблице.

На рис. 21 изображены внешние скоростные характеристики карбюраторных двигателей ГАЗ-51 и ЗИЛНЗО, а на рис. 22 — дизелей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238.

На приведенных выше скоростных характеристиках видно, что максимальные значения крутящих моментов МеШах смещены относительно максимальных величин мощностей /Vemux в зону

меньших угловых скоростей. Значения отношения угловой ско­ рости сом при максимальном крутящем моменте к угловой ско­ рости cOjv при максимальной мощности у современных автомо­ бильных двигателей находятся в пределах 0,4—0,7.

Увеличение крутящего момента до значения Мстпх при умень­ шении угловой скорости от COjv до сом оказывает значительное влияние на устойчивость режима работы автомобильного двига­ теля. Устойчивость режима его работы оценивают запасом кру­ тящего момента, называемым коэффициентом приспособляемости км, который представляет собой отношение максимального кру­ тящего момента .Метах к крутящему моменту при максимальной мощности:

М.

км М.eN

Коэффициент приспособляемости характеризует свойство дви­ гателя преодолевать кратковременные повышенные нагрузки.

Ниже приведены значения коэффициента приспособляемости:

Для оценки топливной экономичности двигателя строят график завпснмостн удельного эффективного расхода топлива ge от угловой скорости сое при полностью открытой дроссельной заслонке или

где(7т —часовой расход топлива, найденный опытным путем, вкг/ч.

§ 2. НАГРУЗОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Автомобильные двигатели работают не только при полностью открытой дроссельной заслонке или при полной подаче топлива, но и на других режимах. Поэтому с помощью скоростной харак­ теристики нельзя достаточно полно оценить свойства двигателя при различных режимах его работы.

Для определения топливной экономичности двигателя при раз­ личных нагрузках снимают так называемые нагрузочные характе­ ристики. Нагрузку карбюраторного двигателя изменяют путем изменения положения дроссельной заслонки. Поэтому его нагру­ зочную характеристику называют также дроссельной характерис­ тикой.

Нагрузочной характеристикой называют выраженную графи­ чески зависимость удельного расхода топлива ge от эффективной

68

мощности Ne (или среднего эффективного давления р е) при постоян­ ной угловой скорости коленчатого вала. Так как автомобильный двигатель работает в весьма широком диапазоне угловых скорос­ тей, то снимают не одну, а несколько нагрузочных характеристик.

На рис. 23 показана нагрузочная характеристика карбюратор­ ного двигателя. По оси абсцисс отложены значения нагрузки (мощности) в процентах от мощности, развиваемой двигателем при полностью открытой дроссельной заслонке и данной угловой скорости. По оси ординат отложены значения часовых и удельных расходов топлива.

При полностью открытой дроссельной заслонке удельный расход топлива равен расходу, который определяют по скоростной

ческого тормоза.

Часовые расходы топлива изменяются почти по линейному закону. Резкие изгибы кривых GT и ge вверх при нагрузках, близких к максимальной, вызваны значительным обогащением горючей смеси экономайзером карбюратора.

Увеличение удельного расхода топлива при прикрытой дрос­ сельной заслонке происходит из-за ухудшения рабочего процесса двигателя (уменьшения наполнения и увеличения коэффициента остаточных газов), а также вследствие уменьшения механического к. п. д. (мощность двигателя уменьшается, а величина механичес­ ких потерь нри постоянной угловой скорости практически оста­ ется постоянной).

§ 3. РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Кривые, показывающие зависимость мощностных и экономи­ ческих показателей двигателя от расхода топлива, состава смеси, температуры масла и воды, угла опережения зажигания или

69