Характеристика двигателя автомобиля

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Автомобиль это сложная техническая система, которая состоит из множества подсистем. Под технической системой понимается совокупность объединенных между собой конструктивных элементов, предназначенных для решения общей технической задачи. К основным системам автомобиля относятся двигатель, тормозная система, трансмиссия, рулевое управление, несущая система, колеса и подвеска.

Двигатель является источником механической энергии, которая необходима для движения автомобиля. Механическая энергия получается путем преобразования иных видов энергии, среди которых наибольшее распространение получили электрическая энергия  и энергия сгорания топлива. Двигатель связан с трансмиссией, которая в свою очередь преобразует и передает энергию к ведущим колесам. Колеса преобразуют механическую энергию в энергию поступательного движения автомобиля.

Все системы автомобиля базируются на несущей системе (кузове). Кузов еще является существенным элементом системы пассивной безопасности. Упругую связь колес и кузова обеспечивает подвеска. Управление автомобилем производится с помощью двух основных систем – рулевого управления и тормозной системы. Рулевое управление предназначено для изменения направления движения. Тормозная система служит для изменения скорости движения автомобиля, обеспечивает его остановку и удержание на месте.

Транспортные двигатели  эксплуатируются в условиях, требующих  изменения в широких пределах скоростного и нагрузочного режимов  работы. Для оценки эффективности  функционирования двигателя при  его работе на различных режимах и при различных значениях регулировочных параметров служат характеристики двигателя.

 

 

1. Понятие о  характеристиках и эксплуатационных  режимах

Характеристикой двигателя  называется зависимость показателей  двигателя от режима работы либо от параметров, связанных с регулированием его главных систем.

Режимы работы определяются нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала.

Характеристики, которые представляют собой зависимость показателей работы двигателей от частоты вращения при постоянном положении органа управления (регулятором — для дизеля, дроссельной заслонкой — для карбюраторного двигателя с искровым зажиганием), называются скоростными.

Если положение органа управления соответствует максимальной подаче горючей смеси или топлива, то эта скоростная характеристика называется внешней.

Характеристика, которая получается при работе двигателя с любым постоянным промежуточным положением органа регулирования, называется частичной скоростной характеристикой.

Внешняя скоростная характеристика двигателя позволяет определить его предельные мощностные показатели и оценить экономичность при полных нагрузках. Эта характеристика является паспортной для основной массы транспортных двигателей.

Нагрузочной характеристикой называют зависимость показателей двигателя от мощности или среднего эффективного давления при постоянной частоте вращения коленчатого вала. По этой характеристике определяют предельную для данной частоты вращения мощность и оценивают экономичность работы двигателя при разных нагрузках.

Кроме этих характеристик на практике широко используются так называемые регулировочные характеристики,  представляющие собой зависимость показателей работы двигателя от регулируемого параметра (к примеру, зависимость коэффициента избытка воздуха, угла опережения впрыскивания топлива, угла опережения зажигания и т. д.). Эти характеристики применяют для определения оптимальных параметров работы систем зажигания  и топливоподачи. [1]

На рисунке 1 представлено поле режимов работы автомобильного двигателя. Выше оси абсцисс находится область активных режимов работы двигателя (А). На данных режимах работа двигателя положительна. Сверху область ограничена внешней скоростной характеристикой 1; справа — регуляторной ветвью или же ветвью снижения крутящего момента при частоте вращения выше номинальной 2.

Точки, которые лежат на оси абсцисс, соответствуют режиму холостого хода, начиная от минимальной частоты вращения вала на холостом ходу n_min и заканчивая так именуемой разносной частотой вращения холостого хода n_разн или максимальной частотой вращения при работе с регулятором n_ном.

Рис. 1. Характеристики двигателей различного назначения

N_е – эффективная мощность двигателя: 1 – внешняя скоростная характеристика двигателя на установившемся режиме при максимальной подаче топлива; 2 – регуляторная характеристика; n_min – минимальное устойчивое число оборотов коленчатого вала; n_e – число оборотов коленчатого вала, соответствующее максимальной мощности; п_ном – предельный скоростной режим при этом  N_e =N_e ном; 
п_разн – максимальное число оборотов холостого хода при установке органов управления впуском топлива на максимальную подачу.

Ниже линии абсцисс расположены  пассивные режимы работы двигателя. В этой зоне, которая ограничена снизу кривой момента, необходимого для проворачивания неработающего двигателя, двигатель работает в режиме выбега или на принудительном холостом ходу (ПХХ), т. е. при торможении автомобиля двигателем. [2]

В реальной эксплуатации многие транспортные установки работают большую часть времени в условиях неустановившихся (переходных) режимов работы. Эти режимы характеризуются изменением во времени показателей и теплового состояние двигателя. Это может быть при разгоне и торможении транспортного средства двигателем, при изменении частоты вращения и нагрузки и т. п. Доля переходных режимов может быть меньше или больше в зависимости от условий эксплуатации  и технологического цикла.

В силу особенностей рабочих процессов  двигателя и отдельных его  систем на неустановившихся режимах  показатели ДВС могут отличаться от тех, которые получены на установившихся режимах. Поэтому в ряде случаев анализ работы двигателя исключительно по нагрузочным  и скоростным характеристикам может оказаться не адекватным условиям реальной эксплуатации.

К экологическим показателям  двигателей можно отнести те, которые характеризуют прямое и косвенное их воздействие на окружающую среду.

В отработанных газах (ОГ) присутствуют довольно много химических веществ, из которых основное внимание уделяется токсичным составляющим, таким как CO, CH, NO_x и сажа. Токсичными называются вещества, которые оказывают вредное влияние на окружающую среду и организм человека. В ОГ помимо прочего присутствуют канцерогенные вещества, соединения серы и свинца и множество иных составляющих, которые по степени своей токсичности опаснее, чем CO, CH и NO_x.

Кроме ОГ источниками токсичности двигателей являются еще картерные газы и испарение топлива в атмосферу. Самое большое выделение токсичных веществ в атмосферу происходит с ОГ, следовательно, уменьшению токсичности ОГ необходимо уделяется основное внимание.

Концентрация токсичных компонентов в ОГ оценивается в объемных процентах, миллионных долях по объему и реже в миллиграммах содержит два вида испытаний: испытание автомобилей или двигателей на стендах  и проверка автомобилей в эксплуатации. Испытания в эксплуатационных условиях проводят по упрощенным методикам применяя портативную аппаратуру. Автомобили с бензиновыми и газовыми двигателями испытываются на выброс СО и СН при минимальной и повышенной частотах вращения коленчатого вала на холостом ходу. Автомобили с дизелями испытываются на дымность ОГ при свободном ускорении и максимальной частоте вращения вала на холостом ходу.

Более полную оценку дымности и токсичности ОГ двигателей и автомобилей осуществляют на заводах, при этом производятся установленные совокупности режимов, которые называются циклами. [1]

2. Скоростные  характеристики

Скоростной характеристикой называется зависимость эффективного крутящего момента двигателя и эффективной мощности от угловой скорости коленчатого вала.

У двигателя выделяют два типа скоростных характеристик: внешняя (предельная) и частичная. Внешняя скоростная характеристика получается при полной нагрузке двигателя (при полной подаче топлива). Частичная — при неполных нагрузках двигателя (при неполной подаче топлива). 
Двигатель имеет только одну внешнюю скоростную характеристику и много частичных, среди которых и характеристика холостого хода.

На частичной скоростной характеристике значения эффективной мощности и крутящего момента двигателя меньше, нежели на внешней скоростной характеристике, хотя характер их изменения аналогичен. 
Тягово-скоростные свойства автомобиля определяются при работе двигателя исключительно на внешней скоростной характеристике.

Внешняя скоростная характеристика дизеля изображена на рисунке 2. Такие двигатели применяются на автобусах, грузовых и легковых автомобилях. 

 

 

 

 

Рис. 2. Внешняя скоростная характеристика дизеля с регулятором угловой скорости коленчатого вала (N_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_мin— минимальная устойчивая угловая скорость коленчатого вала при полной подаче топлива; ω_max— максимальная угловая скорость коленчатого вала при полной подаче топлива.

 

У дизельных двигателей мощность не достигает своего максимального значения в связи с неполным сгоранием 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 почти совпадает с угловой скоростью при максимальной мощности ω_max= ω_N.

Максимальные значения эффективной мощности и эффективного крутящего момента получают при различных угловых скоростях коленчатого вала. При этом значения эффективного крутящего момента смещены на лево относительно значений эффективной мощности, что просто необходимо для устойчивой работы двигателя, или, иными словами, для его способности автоматически адаптироваться к изменению нагрузки на колеса автомобиля.

К примеру, автомобиль двигался по горизонтальной дороге с максимальной мощностью двигателя и начал преодолевать подъем. В такой ситуации сопротивление дороги возрастет, скорость автомобиля и угловая скорость коленчатого вала уменьшатся, а крутящий момент двигателя увеличится, 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%.

Скоростные характеристики двигателей определяются экспериментально в процессе испытаний на специальных стендах. При проведении таких испытаний с двигателя снимается часть элементов систем охлаждения, питания (вентилятор, глушитель, радиатор, компрессор, насос гидроусилителя и пр.), без которых он сможет работать на стендах.

Мощность и крутящий момент, которые измерены при испытаниях и приведены к условиям, соответствующим температуре окружающего воздуха 15 °С и давлению 1 атм, называются стендовыми. Они указываются в технических характеристиках, каталогах, инструкциях, проспектах и т. д.

В реальности мощность и момент двигателя, установленного на автомобиле, на 10-20 % меньше, чем стендовые. Это связано с размещением на двигателе элементов различных систем, которые снимаются при испытаниях. Помимо этого, температура и давление наружного воздуха при работе двигателя на автомобиле отличаются от температуры и давления наружного воздуха при измерениях.

Реальную внешняя скоростная характеристика двигателя получается только на основании экспериментальных данных после его создания. В случае если такие данные отсутствуют, к напримеру, при проектировании нового двигателя, то внешняя скоростная характеристика рассчитывается при использовании известных соотношений. [3]

3. Регулировочные характеристики

Регулировочной характеристикой называют зависимость основных показателей двигателя от значения одного или нескольких из регулировочных параметров при постоянной частоте вращения коленчатого вала (n = const).

Серия регулировочных характеристик, которые были определены на нескольких нагрузочных и скоростных режимах, позволяет выбрать и оценить регулировки соответствующих систем двигателя (топливоподачи, впрыскивания, зажигания, наддува и т. п.), а также определить закономерности изменения оптимальных значений регулировочных параметров на разных режимах. [2]

Регулировочная  характеристика дизеля по составу смеси (рисунок 3) имеет такой же характер, что и у карбюраторного двигателя. Состав смеси у дизеля изменяется за счет изменения количества топлива, которое подается топливным насосом. Но максимальная мощность (точка 3, α = 1,04— 1,1) и минимальные удельные расходы топлива (точка 1, α = 2) в дизелях достигаются при больших значениях α по сравнению с карбюраторными двигателями.