Лекция 4. Двигатель и его характеристики

План лекции

4.1. Скоростные характеристики двигателей

4.2. Нагрузочные характеристики двигателей

4.3. Регулировочные характеристики двигателей

4.1. Скоростные характеристики двигателей

Двигатель является основным источником энергии, необходи­мой для движения автомобиля. Характеристики двигателя служат для определения его мощностных и экономических показателей. Наиболее важные характеристики — скоростные, нагрузочные и регулировочные — позволяют оценивать работу двигателей, эф­фективность их использования, техническое состояние и каче­ство ремонта, сравнивать различные их типы и модели, а также судить о совершенстве конструкций новых двигателей.

Скоростной характеристикой называются зависимости эффек­тивной мощности N_e и эффективного крутящего момента М_е дви­гателя от угловой скорости коленчатого вала а_е.

У двигателя различают два типа скоростных характеристик: внешнюю (предельную) и частичные.

Внешнюю скоростную характеристику получают при полной нагрузке двигателя, т.е. при полной подаче топлива. Частичные — при неполных нагрузках двигателя, или при неполной подаче топ­лива.

Двигатель имеет только одну внешнюю скоростную характери­стику и большое число частичных, среди которых и характерис­тика холостого хода.

Рекомендуемые материалы

На частичных скоростных характеристиках значения эффектив­ной мощности и крутящего момента двигателя меньше, чем на внешней скоростной характеристике, но характер их изменения аналогичен.

Тягово-скоростные свойства автомобиля определяют при ра­боте двигателя только на внешней скоростной характеристике.

Рассмотрим внешние скоростные характеристики бензиновых Двигателей и дизелей, которые имеют некоторые отличительные особенности.

Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя без ограничителя угловой скорости коленчатого вала представлена на Рис. 2.1. Такие двигатели применяют главным образом на легковых автомобилях и иногда на автобусах.

Рис. 4.1. Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя без ограничителя угловой скорости коленчатого вала

Приведенные зависимости имеют следующие характерные точки:

•  M_max — максимальная (номиналь­ная) эффективная мощность;

•  ω_N. — угловая скорость коленча­того вала при максимальной мощно­сти;

• M_max — максимальный крутящий момент;

• ω_М — угловая скорость коленча­того вала при максимальном крутя­щем моменте;

•  N_M — мощность при максималь­ном крутящем моменте;

• M_N — крутящий момент при мак­симальной мощности;

•  ω_min ^— минимальная устойчивая угловая скорость коленчато­го вала при полной подаче топлива; для бензиновых двигателей (ω_min = 80... 100 рад/с;

•  ω_max — максимальная угловая скорость коленчатого вала при полной подаче топлива, соответствующая максимальной скорос­ти автомобиля при движении на высшей передаче; для бензино­вых двигателей без ограничителей угловой скорости коленчатого вала ю_тах = (1,05... l,l) ω_N.

Из рис. 4.1 видно, что эффективная мощность и эффективный крутящий момент двигателя возрастают с увеличением угловой скорости коленчатого вала, достигают максимальных значений при соответствующих угловых скоростях ω_N  и ω_M /, а затем уменьшают­ся с ростом ω _е вследствие ухудшения наполнения цилиндров го­рючей смесью и увеличения трения. При этом возрастают дина­мические нагрузки, что приводит к ускоренному изнашиванию деталей двигателя. В условиях эксплуатации двигатель работает главным образом в интервале угловых скоростей от ω_M до ω_N.

Внешняя скоростная характерис­тика бензинового двигателя с огра­ничителем угловой скорости колен­чатого вала показана на рис. 2.2. Та­кие двигатели применяют на грузо­вых автомобилях и автобусах.

Рис. 4.2. Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя с ограничителем уг­ловой скорости коленчатого вала

Ограничитель угловой скорости автоматически уменьшает подачу горючей смеси в цилиндры двигате­ля и снижает угловую скорость коленчатого вала с целью повышения долговечности двигателя. Ог­раничитель вступает в действие на той части внешней скоростной характеристики, на которой мощность двигателя почти не возра­стает с увеличением угловой скорости коленчатого вала. Включе­ние ограничителя соответствует максимальной угловой скорости ω_max = (0,8...0,9) ω_N. Максимальной эффективной мощностью в этом случае является наибольшая мощность, которую может развить двигатель при отсутствии ограничителя, т.е. N_max, соответствую­щая угловой скорости коленчатого вала ω_N.

Внешняя скоростная характеристика дизеля представлена на рис. 4.3. Такие двигатели применяют на грузовых автомобилях, автобусах и легковых автомобилях.

У дизелей мощность не достигает максимального значения из-за неполного сгорания горючей (рабочей) смеси. Максимальной в этом случае считается мощность, которая соответствует моменту включения регулятора угловой скорости коленчатого вала, т. е. N_max при угловой скорости ω_N. Для дизелей максимальная угловая ско­рость коленчатого вала практически совпадает с угловой скорос­тью при максимальной мощности (ω_max = ω_N).

Из рассмотренных внешних скоростных характеристик бензи­новых двигателей и дизеля следует, что максимальные значения эффективного крутящего момента M_max и эффективной мощности N_max получают при различных угловых скоростях коленчатого вала. При этом значения М_тах смещены влево относительно значений N_max, что необходимо для устойчивой работы двигателя, или, иначе говоря, для его способности автоматически приспосабливаться к изменению нагрузки на колеса автомобиля.

Например, автомобиль двигался по горизонтальной дороге при максимальной мощности двигателя и начал преодолевать подъем. В этом случае сопротивление дороги возрастает, скорость автомо­биля и угловая скорость коленчатого вала уменьшаются, а крутя­щий момент двигателя увеличива­ется, обеспечивая возрастание тяго­вой силы на ведущих колесах авто­мобиля. Чем больше увеличение кру­тящего момента при уменьшении угловой скорости коленчатого вала, тем выше приспособляемость дви­гателя и меньше вероятность его ос­тановки. У бензиновых двигателей Увеличение (запас) крутящего мо­мента достигает 30 %, а у дизелей — 15%.

Рис. 4.3. Внешняя скоростная характеристика дизеля с ре­гулятором угловой скорости коленчатого вала

Скоростные характеристики дви­гателей определяют эксперимен­тально в процессе их испытаний на специальных стендах. При проведении испытаний с двигателя сни­мают часть элементов систем охлаждения, питания (вентилятор, радиатор, глушитель, компрессор, насос гидроусилителя и др.), без которых он может работать на стендах.

Мощность и крутящий момент, измеренные при испытаниях и приведенные к условиям, соответствующим давлению окружаю­щего воздуха 1 атм и температуре 15 °С, называют стендовыми. Их указывают в технических характеристиках, инструкциях, катало­гах, проспектах и т. п.

В действительности мощность и момент двигателя, установлен­ного на автомобиле, на 10... 20 % меньше, чем стендовые. Это свя­зано с размещением на двигателе элементов различных систем, которые демонтируют при испытаниях. Кроме того, давление и температура наружного воздуха при работе двигателя на автомо­биле отличаются от таковых при измерениях.

Реальную внешнюю скоростную характеристику двигателя мож­но получить только на основании экспериментальных данных после его создания. Если же такие данные отсутствуют, например при проектировании нового двигателя, то внешнюю скоростную ха­рактеристику можно рассчитать, используя известные соотноше­ния.

Для бензиновых двигателей:

Для четырехтактных дизелей:

Эффективный крутящий момент для бензиновых двигателей и дизелей определяется по формуле:

В указанных формулах мощность выражается в кВт, крутящий момент — в Н*м, угловая скорость — в рад/с.

4.2. Нагрузочные характеристики двигателей

Нагрузочной характеристикой двигателя называются зависи­мости часового G_Т и удельного эффективного g_e расходов топлива от эффективной мощности N_e или эффективного давления р_е га­зов на поршень при постоянной угловой скорости ω _е коленчатого вала. Нагрузочные характеристики служат для оценки топливной экономичности двигателя при различных режимах его работы.

На рис. 4.4 показана нагрузочная характеристика бензинового двигателя. Часовой расход топлива связан приблизительно линей­ной зависимостью с N_e и р_е. Удельный эффективный расход топлива значительно возрастает при уменьше­нии его подачи из-за ухудшения рабочего процесса и снижения механического КПД двигателя. Экономичность двигателя тем выше, чем меньше g_e и чем более полого проходит его кривая в интервале нагрузок двигателя, типичных для условий эксплу­атации.

Двигатель автомобиля работает в широ­ком диапазоне значений угловой скорос­ти коленчатого вала, поэтому измеряют не одну, а несколько его нагрузочных харак­теристик.

На рис. 2.5 приведена регулировочная    нового двигателя по характеристика бензинового двигателя по        расходу топлива

Рис. 4.4. Нагрузочная характеристика бензи­нового двигателя

4.3. Регулировочные характеристики двигателей

Регулировочной характеристикой двигателя называются зави­симости эффективной мощности и удельного эффективного рас­хода топлива от его часового расхода, состава горючей смеси, угла опережения зажигания или впрыска топлива и т.д.

Регулировочные характеристики определяют оптимальные ус­ловия работы двигателя и оценивают каче­ство его регулировки. Эти характеристики измеряют при полной и частичных нагруз­ках двигателя (при полной и частичной подаче топлива).

Обычно снимают регулировочные харак­теристики двигателя по расходу топлива, показывающие изменение эффективной мощности и удельного эффективного рас­хода топлива в зависимости от его часово­го расхода при постоянной угловой скоро­сти коленчатого вала.

Рекомендуем посмотреть лекцию "5 Характеристики дизелей, газотурбинных установок".

Рис. 4.5. Регулировочная характеристика бензинового двигателя по расходу топлива.

На рис 4.5 приведена регулировочная характеристика по расходу топлива. Она имеет две характерные точки, одна из кото­рых соответствует максимальной мощности, а другая — мини­мальному удельному эффективному расходу топлива.

Двигатель развивает максимальную мощность при часовом рас­ходе топлива, соответствующем обогащенной горючей смеси (коэф­фициент избытка воздуха α_и = 0,8...0,9), которая быстро горит. При обеднении горючей смеси мощность двигателя уменьшается из-за снижения скорости сгорания смеси. Наибольшую топлив­ную экономичность двигателя обеспечивает часовой расход топ­лива, отвечающий обедненной горючей смеси (α_и = 1,1... 1,2). При большем обеднении горючей смеси значительно уменьшается ско­рость ее горения, двигатель работает неустойчиво, резко падает его мощность и снижается топливная экономичность.

Следовательно, наиболее благоприятный для работы двигате­ля диапазон значений часового расхода топлива заключен между G_T, соответствующими минимальному удельному эффективному расходу топлива и максимальной мощности двигателя.

Эксплуатация двигателя за указанными пределами нежелательна вследствие снижения его мощности и топливной экономичности,