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.

Рис. 3. Регулировочные характеристики двигателя по составу смеси

Смещение ge min и Ne mах у дизелей в сторону более бедных смесей вызывается недостаточно совершенным протеканием процесса смесеобразования; при среднем α >1 в некоторых частях камеры сгорания дизеля горючая смесь может иметь α< 1 и сгорать не полностью.

Начало неполного сгорания топлива, которое сопровождается видимым дымлением на выхлопе, начинается в точке 2, которая называется пределом дымления. При сильном дымлении наблюдается перегрев двигателя, обильное отложение нагара, коксование масла и т. д. Величина коэффициента избытка воздуха, при котором появляется дымление зависит от конструкции дизеля. Коэффициент избытка воздуха в точке 2 может изменяться в пределах от 1,25 до 1,6, мощность дизеля в этой же точке приблизительно на 10% меньше, чем мощность в точке 3.

При эксплуатации коэффициент избытка воздуха не должен выходить за пределы дымления.

Регулировочная  характеристика по зажиганию (рисунок 4) снимается при постоянном числе оборотов коленчатого вала и определенном положении дроссельной заслонки. Состав горючей смеси при снятии характеристики не должен изменяться. На характеристику наносят кривые зависимости удельного расхода топлива ge  и эффективной мощности Ne от угла опережения зажигания (УОЗ).

Рис. 4. Регулировочная характеристика двигателя по зажиганию.

Увеличение удельных расходов топлива и снижение мощности и при углах опережения зажигания, которые меньше наивыгоднейшего, объясняется тем, что по мере уменьшения УОЗ процесс сгорания все больше и больше переносится на такт расширения. Это сопровождается увеличением потерь тепла в охлаждающую воду и с выхлопными газами. Увеличение угла опережения зажигания больше наивыгоднейшего сопровождается появлением детонации, которая ведет к снижению экономических и мощностных показателей.

Регулировочную характеристику по углу предварения подачи топлива снимают при неизменном положении рейки топливного насоса и постоянном числе оборотов коленчатого вала. На характеристику наносятся те же зависимости, что и на регулировочную характеристику по зажиганию карбюраторного двигателя, стой лишь разницей, что но по оси абсцисс откладывают величину предварения подачи топлива. Эти обе характеристики имеют приблизительно одинаковый вид. Снижение экономических и мощностных показателей при слишком раннем впрыске топлива можно объяснить тем, что оно попадает в воздух, который имеет сравнительно малые температуру и давление, поэтому период задержки воспламенения топлива имеет значительную величину. Эти приводит к тому, что к моменту самовоспламенения в цилиндрах скапливаются большие порции топлива. Сгорание в таких условиях протекает с резким нарастанием давления, которое сопровождается уменьшением механического к. п. д. двигателя  и ухудшением теплоиспользования. Помимо этого, при большом периоде задержки воспламенения и малом давлении в цилиндре частицы топлива до их сгорания успевают достичь стенок камеры сгорания или днища поршня. Осевшие капельки топлива сгорают не полностью, что, в свою очередь, снижает показатели двигателя.

Поздний впрыск топлива  приводит к смещению процесса сгорания на часть такта расширения. При  этом увеличиваются потери тепла в охлаждающую воду и с продуктами сгорания. [4]

Регулировочная характеристика дизеля по углу опережения впрыскивания (УОВ) это зависимость основных показателей дизеля от величины УОВ ( ) при постоянной цикловой подаче топлива (G_тц =const) и постоянной частоте вращения коленчатого вала (n = const).

Эту характеристика используют для нахождения оптимальных значений УОВ на различных нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля.[2]

4. Нагрузочные характеристики и характеристики холостого хода

Нагрузочная характеристика это зависимость основных показателей двигателя от нагрузки при постоянной частоте вращения. При испытании двигателя на тормозном стенде нагрузку изменяют с помощью специального нагрузочного устройства; постоянство скоростного режима в дизеле осуществляется перемещением органа, управляющего подачей топлива, а в карбюраторном двигателе перемещением дроссельной заслонки.

Нагрузочная характеристика характеризуется тремя параметрами, наиболее полно определяющими режимы работы: удельный и часовой расходы топлива при полной нагрузке, нагрузка при минимальном эффективном удельном расходе

Нагрузочную характеристику дизеля (рисунок 5) снимают при постоянном числе оборотов и переменном положении рейки топливного насоса. Сначала при увеличении подач топлива удельные расходы топлива уменьшают и в точке 1 достигают минимальных значений. Это объясняется в основном снижением относительной величины механических потерь. В диапазоне между точками 1 и 2 удельные расходы топлива незначительно возрастают из-за ухудшения процесса сгорания (из-за уменьшения коэффициента избытка воздуха). Точка 2 находится на границе начала дымления. За точкой 2 происходит довольно резкое ухудшение экономических показателей двигателя, которые вызывается все усиливающимся не догоранием топлива. Но при этом мощность двигателя продолжает расти. После достижения коэффициентом избытка воздуха значений, которые соответствуют максимальному среднему эффективному давлению (точка 3), происходит перегиб кривых ge =  f (% N) и GT = f ( % N). Несмотря на увеличение подачи топлива, процесс сгорания настолько ухудшается, что происходит сокращение мощности.

Рис. 5. Нагрузочная характеристика дизеля

Характеристика холостого  хода снимается только на карбюраторных двигателях и представляет собой кривую изменения часового расхода топлива в зависимости от числа оборотов при работе двигателя без нагрузки. [4]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дальнейшее развитие двигателей дорожных машин будет  направлено на:

• обеспечение роста производительности машины, на которой этот двигатель установлен;
• уменьшение затрат труда на изготовление, техническое обслуживание и ремонт двигателя, снижение расхода металла и эксплуатационных материалов;
• сокращение энергозатрат на их выполнение;
• улучшение экологических характеристик.
• облегчение условий труда персонала и управления двигателем;

Достижение наиболее идеальных показателей возможно на основе использования прогрессивных конструктивных схем, рабочих процессов, конструкций систем узлов и деталей.

Уже сейчас требует практического  решения применение наддува. Это  будет обеспечивать рост агрегатной и литровой мощности, улучшение топливной экономичности и массогабаритных показателей. Большие перспективы имеет применение электронного регулирования и устройств, которые используют микропроцессорные схемы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Транспортна энергетика: учебно-методический комплекс/сост. В.А. Алексеев, Л.Л. Зотов, Ю.И. Сенников. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008г.
2. http://abc.vvsu.ru/Books/l_rabprocess/ - Конспект лекций по курсу: «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета автомобильных двигателей»
3. http://avto-barmashova.ru – МГИУ. Фирменный автосервис, образовательный сайт.
4. http://www.info-tehnika.ru