ПРЕДИСЛОВИЕ

Авторский коллектив Московского государственного авто- мобильно-дорожного института (технического университета), со­стоящий из преподавателей кафедры «Автотракторные двига­тели» (АТД) и работников Проблемной лаборатории транспорт­ных двигателей (ПЛТД), накопил огромный материал, включа­ющий результаты исследовательских работ за несколько десяти­летий труда. Поэтому естественным было стремление членов авторского коллектива помимо последних достижений в области [теории и конструирования двигателя, опубликованных в литера­туре, внести то новое, что было получено в собственных экс­периментальных исследованиях и теоретических разработках. В учебнике имеются разделы, которые практически отсутствуют в других обучающих материалах.

В учебнике впервые (по крайней мере в России) осуществлена попытка синтезированно подойти к курсу ДВС именно в пред­положении использования компьютера в течение всего периода изучения материала.

Кафедра АТД МАДЖ (ТУ) прошла несколько этапов в ис­пользовании и накоплении опыта применения компьютерной [техники. Прежде всего необходимо отметить периоды острой (нехватки этой техники, а также средств на ее приобретение. Эти проблемы существуют и в настоящее время. Однако можно утверждать, что на сегодня кафедра оснащена этой техникой Удовлетворительно: действует кафедральный вычислительный центр; имеются классы, оснащенные персональными компьюте­рами IBM PC; действует автоматизированная система научных исследований, авторами разработки которой являются также работники кафедры АТД и ПЛТД.

j Организационно и структурно кафедральная вычислительная [техника всегда была централизована и вначале служила только для исследовательских расчетов, а студенты могли лишь наблю­дать за тем, как это делается. Через определенное время наступил период более активного привлечения студентов к работе на ЭВМ для курсового и дипломного проектирования (машины ЕС и СМ), а также проведения исследовательских работ с передачей машине функций управления стендом.

3

В настоящее время, когда осуществлен переход на персо­нальные компьютеры, есть возможность обучения всех студентов навыкам использования ЭВМ. Таким образом, накоплен более чем 30-летний опыт применения ЭВМ в учебном процессе и ис­следовательской практике, что нашло свое отражение в учебнике.

Однако преждевременно утверждать, что имеет место пол­ное понимание возможностей применения ЭВМ в учебном про­цессе и разработаны все дидактические принципы и приемы ор­ганизации учебного процесса подготовки будущих специалистов на базе ЭВМ.

Анализ результатов работы над учебником позволил сделать следующие выводы:

Q Появилась возможность более строгого и глубокого изло­жения материала при сокращении традиционных затрат времени на лекционные курсы. Таким образом, основные усилия перенесе­ны на самостоятельную работу, практические занятия, семинары. Это позволит существенно индивидуализировать процесс обуче­ния.

• Компьютерный обучающий комплекс (учебник) достаточ­но гибко позволяет дозировать материал для различных групп обучающихся. Это дает возможность постоянно увеличивать объем материала, расширяя структуру учебника, использовать более современные формы изложения. Естественно, достичь это­го качества во всех разделах учебника авторам в полной мере пока не удалось. Однако процесс совершенствования компьютер­ного курса учебника непрерывен.

ф Организация обучения на базе данного учебника требует меньших финансовых затрат. Следовательно, она более экономи­чна, чем традиционная. При этом обеспечиваются экологическая чистота проведения расчетных экспериментов и возможность мо­делирования экстремальных ситуаций функционирования ДВС. Применение этой системы для пользователей не требует больших затрат (нужен лишь персональный компьютер). В то же время нельзя не отметить огромный труд и средства, затраченные при разработке самого учебного комплекса, что предопределяет его довольно высокую стоимость.

• Наряду с существенным расширением возможностей обу­чения резко возрастают требования к профессиональному уров­ню преподавателей, существенно интенсифицируется их труд, возникает необходимость повышения качества, содержательно­сти и многовариантности задач, предлагаемых обучаемым. Пре­подаватель должен хорошо представлять возможности использу­емых алгоритмов, типовые ошибки обучаемых, владеть вычис­лительной техникой.

• Требуется значительная методическая проработка вопросов по определению эффективного сочетания натурных и имита­ционных экспериментов, объема «ручных» расчетов и вычислений

4

с помощью ЭВМ, характера общения в системе обучаемый — преподаватель — компьютерный комплекс.

• Компьютерный комплекс (учебник) обеспечивает все эле­менты учебного процесса по ДВС: лекции, лабораторные работы, проектирование, моделирование и исследование процессов в ДВС.

При создании учебника авторы исходили из того, что здесь главное не ЭВМ, а предметная область — двигатели внутреннего сгорания. Развитие использования ЭВМ шло от компьютерного романтизма (ЭВМ может все; все можно решить с помощью ЭВМ) к пониманию того, что вычислительная техника — только инструмент, с помощью которого можно решать задачи обуче­ния, но ни в коей мере не исключающая преподавателя, а лишь ему помогающая.

Наибольшего эффекта обучения ДВС можно достичь только при включении ЭВМ во все элементы учебного процесса, т. е. при создании обучающего комплекса, построенного не на противопо­ставлении ДВС и ЭВМ, а на объединении традиций, современных знаний о ДВС, методического опыта преподавания ДВС и совре­менных информационных технологий, вызванных к жизни раз­витием вычислительной техники.

Применение данного учебника предполагает переход от группового метода обучения к индивидуальному.

Эффективность обучения возрастает, если у студента выра­ботан дозорный рефлекс: «Что будет, если ...?».

Итак, уважаемые коллеги, размышляйте, придумывайте са­мостоятельно ситуации и задачи и решайте их с помощью пред­лагаемого программного обеспечения на компьютере.

Учебник состоит из трех книг: в первой изложены вопросы теории рабочих процессов ДВС, системы топливоподачи, управ­ление ДВС, экологические характеристики ДВС; во второй — ки­нематики и динамики, конструирования и расчетов на прочность деталей и механизмов ДВС, колебаний ДВС, в третьей даны общие методические указания по использованию составляющих компьютерного практикума (компьютерные лекции, лаборатор­ные работы по теории и конструкции ДВС, курсовое и дипломное проектирование, моделирование ДВС), а также комплекта маг­нитных носителей.

Учебник предназначен для студентов высших учебных заве­дений, обучающихся по направлению «Наземные транспортные системы», специальностям «Автомобиле- и тракторостроение», «Автомобили и автомобильное хозяйство», «Машины инженер­ного вооружения»; по направлению «Энергомашиностроение», специальности «Двигатели внутреннего сгорания»; по направле- нию «Технологические машины и оборудование», специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование»; по направлению «Эксплуатация транспортных

5

средств» и специальностям «Организация дорожного движения», «Сервис и техническая эксплуатация транспортных и технологи­ческих машин и оборудования» (автомобильный транспорт; строительное, дорожное и коммунальное машиностроение).

Авторы благодарны коллективу кафедры «Комбинирован­ные и поршневые двигатели» МГТУ им. Н. Э. Баумана (Зав. кафедрой — д-р техн. наук, доц. Н. А. Иващенко) и заслужен­ному деятелю науки и техники Российской Федерации д-ру техн. наук, проф. В. И. Крутову за большой труд по рецензированию учебника.

Общее руководство работой и редактирование рукописи осу­ществлено чл.-корр. РАН, д-ром техн. наук, проф. В. Н. Лукани- ным.

Отдельные разделы написали: В. Н. Луканин — предисло­вие, введение, §2.3, 3.2, п. 3.3.5, 6.1.1, § 6.2; К. А. Морозов — п. 2.2.2, 3.1.1...3.1.5, 3.1.7, § 3.4, п. 4.1.3, § 5.1, п. 6.1.2...6.1.6, § 8.3;

1. С. Хачиян — п. 2.2.1, п. 3.1.6, 3.5.2, 3.5.3, § 3.6, п. 4.1.1, 4.1.2, 4.1.4, 4.1.5, § 4.2, 4.3, п. 7.4.2,§ 8.4; И. В. Алексеев — гл. 1; Л. Н. Голубков —§ 5.2, 5.4; Б. Я. Черняк — § 7.7, § 8.1, 8.3; В. И. Трусов — п. 3.5.1; Г. М. Камфер — § 2.1; В. 3. Махов — п.

1. .3.3.4; С. А. Пришвин — § 7.1, 7.2, п. 7.3.1, 7.4.1, § 7.5, 7.6;

2. В. Синявский — § 5.3, п. 7.3.2, § 8.4; Л. М. Матюхин — § 3.7; М. Г. Шатров — § 8.2.

Авторы будут признательны читателям за замечания по учебнику.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость осуществления больших объемов грузовых и пассажирских перевозок вызвала увеличение выпуска авто­мобилей. Эта тенденция устойчиво сохраняется и в настоящее время.

Основой автотранспортной энергетики в ближайшем буду­щем останутся поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС), которые после почти столетнего развития достигли высокого совершенства. Факторами, влияющими на конструк­цию ПДВС, являются необходимость увеличения удельной мощ­ности, повышение надежности и возможность использования двигателя в различных условиях эксплуатации при минимальных расходах топлива, стоимости и затратах материалов. В дополне­ние к этим факторам конструкция и рабочий процесс будут определяться также требованиями нормативных ограничений и технологическими требованиями. Поясним несколько подроб­нее сказанное. Правильным является положение о том, что двига­тель и потребляемое им топливо дают максимальный эффект в том случае, когда двигатель создан в расчете именно на потреб­ляемое им топливо. В ближайшем будущем виды топлива нефтя­ного происхождения останутся основными энергоносителями для ПДВС. Однако следует предположить , что спрос на энергию в ближайшее десятилетие будет расти. Это справедливо потому, что повышение благосостояния и уровень жизни прямо пропор­ционально зависят от потребления энергии на душу населения. Это обстоятельство заставит если не в настоящее время, то в ближайшем будущем сделать выбор между альтернативными видами топлива. Этот процесс в мире и в нашей стране уже начался.

Естественно, эта тенденция развития ПДВС проявит себя в стремлении получить максимальный эффективный коэффици­ент полезного действия путем использования более сложных решений.

Усложнение конструкции двигателя потребует увеличения затрат труда, главным образом в сфере эксплуатации, что крайне нежелательно. Следовательно, предполагая дефицит рабочей си­лы, будет действовать тенденция, направленная на разработку

7

и технологию изготовления двигателей, требующих минималь­ных затрат труда при обслуживании и ремонте.

Если еще раз обратиться к топливу, то здесь можно от­метить, что в мире наметилась тенденция к выработке продукции по техническим требованиям, близким к предельным. Это проис­ходит из-за желания производить больше топлива для удовлет­ворения растущей в нем потребности. Снижение качества топ­лива заставит искать решения, которые позволили бы избежать возможных негативных последствий в эксплуатации. Это обсто­ятельство предъявит более высокие требования к точности и ста­бильности регулировок, что приведет к усложнению конструкции ПДВС и потребует повышенных затрат труда в эксплуатации. Уже сейчас можно отметить снижение квалификации обслужива­ющего персонала. Другими словами, более совершенные ПДВС будут передаваться в эксплуатацию в руки в среднем менее квалифицированных работников. Здесь можно было бы назвать несколько причин: расширение сферы применения ПДВС, мед­ленный рост производительности труда при обслуживании и ре­монте ПДВС. Следовательно, необходимо обеспечить надежную работу ПДВС даже при нарушении номинальных параметров технических характеристик или неправильном использовании ПДВС.

Таковы главные технико-экономические факторы, которые определяют современный ресурс ПДВС.

Однако они должны быть дополнены «нормативными огра­ничениями». Здесь речь идет прежде всего об ограничении токсич­ных и нетоксичных выделений ПДВС и величины акустического излучения.

Практика показывает, что резервы их дальнейшего совер­шенствования далеко не исчерпаны. Авторы стремились отразить в учебнике последние достижения и перспективные направления в развитии теории и расчетов рабочих процессов, а также в при­менении новейших методов (в том числе САПР) конструирова­ния ПДВС. Должное внимание уделено использованию альтер­нативных видов топлива и новых конструкционных материалов. Отмечается, что многие достижения связаны с использованием микропроцессорной техники для управления системами ПДВС. Это, в свою очередь, обусловило прогресс в организации рабочих процессов и конструкции систем двигателей, рассчитанных на управление микропроцессором: топливоподача и искровое зажи­гание смеси, фазы газораспределения, управляемые системы впуска и наддува, управляемая интенсивность вихревого движе­ния заряда в цилиндре, нейтрализация отработавших газов и т. п. Продолжаются активные поиски работоспособных конст­рукций, позволяющих осуществлять управляемое изменение ра­бочего объема цилиндров, степени сжатия, утилизации теплоты.

В связи с этим возникла новая проблема комплексного мик-

8

ропроцессорного управления двигателем с целью наилучшего удовлетворения жестких требований к топливной экономичности в сочетании с хорошими экологическими показателями ПДВС.

Поэтому подготовка специалистов по ДВС и создание от­вечающих современным требованиям учебных материалов оста­ются важными задачами. /

Разрабатывая компьютерную версию учебника по двигате­лям внутреннего сгорания, авторы придерживались классичес­кого взгляда на все разделы курса, что нашло отражение в его структуре: теория рабочих процессов; кинематика и динамика; конструкция и расчет на прочность деталей двигателя; лабора­торный практикум; пособие по курсовому (дипломному) проек­тированию; моделирование процессов в ДВС.

Глубокое понимание принципов работы ПДВС, строгая на­учная обоснованность путей и методов дальнейшего совершенст­вования ПДВС — главные требования к специалисту будущего.

Из всего комплекса проблем выделим, на наш взгляд, глав­ные: 1) улучшение топливной экономичности; 2) совершенствова­ние экологических характеристик ПДВС; 3) повышение надеж­ности ПДВС.

В общем виде основную задачу инженера ближайшего буду­щего можно было бы сформулировать следующим образом: разработка экологически чистых автомобильных энергоустано­вок, обеспечивающих высокое качество и эффективность автомо­бильных перевозок при минимальном воздействии на окружа­ющую среду, минимальных затратах труда, эксплуатационных материалов и энергии при их производстве и в процессе эксплу­атации.

Взаимодействие автомобильной энергоустановки с окружа­ющей средой происходит посредством потоков вещества, энергии и энтропии на всем протяжении жизненного цикла установки, т. е. на стадиях получения конструкционных и эксплуатационных материалов, изготовления, выполнения транспортной работы, восстановления работоспособности и утилизации.

Автомобильная энергоустановка считается экологически чи­стой, если ее создание, функционирование и утилизация не при­водят к нарушению стабильности экосистемы «автомобильный транспорт — окружающая среда», т. е. выходу характеристик ее состояния за пределы допуска (регламентируемых антропоген­ных изменений или техногенных воздействий).

Таким образом, можно сформулировать следующие требо­вания к энергоустановке: безопасность выполнения транспорт­ных услуг, обеспечение транспортного комфорта и сохранности грузов при транспортировке, безвредность воздействия на окру­жающую среду, сохранение природных (топливно-энергетичес­ких, материальных, трудовых) ресурсов. Обязательным остается и требование транспортной эффективности, которому должна

9

соответствовать любая, в том числе и экологически чистая, энер­гоустановка.

Для бензиновых энергоустановок легковых автотранспорт­ных средств наибольшую значимость имеют высокая удельная мощность, минимальные выбросы оксидов азота, полиаромати- ческих углеводородов, допустимый уровень звука и минималь­ный удельный расход топлива; для дизельных — минимальный удельный расход топлива, допустимый уровень звука, выбросы оксидов азота, твердых частиц и полиароматических углеводоро­дов.

ДВС — сложный технический объект. ЭВМ применительно к ДВС является его составляющей в качестве микропроцессора как управляюще-измерительного комплекса при испытаниях и исследованиях, инструмент при его проектировании, элемент процесса обучения.

Глава 1 принципы,

ПОКАЗАТЕЛИ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ КЛАССИФИКАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ

Устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в меха­ническую работу, называются двигателями.

Машины, трансформирующие тепловую энергию в механи­ческую работу, носят название тепловых двигателей (ТД).

ТД являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, ав­томобильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорож- но-строительных машинах. Различают ТД стационарные и транспортные.

Для транспортных двигателей характерна работа при из­менении в широких пределах скоростного и нагрузочного ре­жимов, а также необходимость сохранения работоспособности при изменениях положения двигателя в пространстве. К ним предъявляются повышенные требования по уменьшению габа­ритов и массы.

По способу подвода теплоты к рабочему телу (РТ) (РТ — это субстанция, с помощью которой происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу) различают двигатели с внешним подводом теплоты (ДВПТ) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Для ДВПТ характерны следующие особенности:

ф теплота к РТ подводится вне рабочего цилиндра двига­теля (обычно в теплообменнике);

• РТ не обновляется и циркулирует в различных агрегатных состояниях по замкнутому контуру;

• работа совершается в турбине или в расширительном цилиндре.

Классический пример этого типа ТД — паровой двигатель, схема которого приведена на рис. 1.1.

Здесь теплота Q_l подводится к РТ (вода) в парогенераторе и в пароперегревателе, механическая работа Ly совершается

11

Рис. 1.1. Схема парового двигателя:

1 - парогенератор (хотел); 2 - пароперегреватель; 3 - паровая турбина; 4 - конден­сатор; 5 - питательный насос

в паровой турбине, теплота Q₂ от РТ отводится в конденсатор, где отработанный в турбине пар превращается в воду. Далее вода питательным насосом перекачивается вновь в парогенератор.

Для ДВС характерно следующее:

• сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходят непосредственно в цилинд­ре двигателя;

• РТ обновляется в процессе работы двигателя.

ДВС по сравнению с ДВГГГ имеют, как правило, существен­но меньшие габариты и массу на единицу производимой мощ­ности, вследствие чего они являются в настоящее время основ­ным типом транспортных энергетических установок.

По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую ра­боту, различают: поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями (ПДВС); двигатели с вращающимися поршнями, или роторно-поршневые ДВС (РПД); газотурбинные двигатели (ГТДУ, реактивные двигатели (РД).

В качестве примера для анализа признаков, присущих конст­рукции ДВС, рассмотрим схему простейшего одновального ГТД, представленную на рис. 1.2.

Принцип работы двигателя заключается в следующем: комп­рессором, рабочее колесо которого находится на одном валу с турбиной, воздух сжимается до давления р, и подается в камеру сгорания, куда топливным насосом впрыскивается через форсун­ку топливо. После поджигания факела топлива запальной свечой в камере образуются продукты сгорания, имеющие высокую температуру, которые поступают на турбину, где производят полезную работу. Далее РТ покидает двигатель в виде отработа­вших газов (ОГ). Как следует из приведенной схемы, теплота к рабочему телу подводится внутри двигателя и РТ периодически обновляется.

12

xnqag

Топливо

Рис. 1.2. Схема однодольного газотурбинного двигателя:

1 - компрессор; 2 - форсунка; 3 - камера сгорания; 4 - топливный васос; 5 - тур­бина

Ро

J ч

г с с' а в

Рис. 1.3. Схема и индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: 1 - поплавковая камера; 2 - диффузор карбюратора; 3 - дроссельная заслонка; 4 - свеча зажигания

Рис. 1.4. Схема двигателя с впрыскиванием бензина во впускную систему:

1 - кривошипно-шатунный механизм; 2 - картер; 3 - свеча зажигания; 4 - форсунка; 5 - дроссель; 6 - расходомер; 7 - воздухоочиститель; 8 - электронный блок управления;

9 - топливный фильтр; 10 - топливный насос; 11 - топливный бак

Из-за неудовлетворительной топливной экономичности РПД, ГТД и РД не нашли широкого применения в наземной транспортной технике. Здесь в качестве энергетических установок используются главным образом ПДВС*.

По способу воспламенения смеси различают ДВС с принуди­тельным (преимущественно искровым) зажиганием и дизели, ра­ботающие с воспламенением от сжатия.

В двигателях с искровым зажиганием используются два вида топлива: жидкость — преимущественно бензин (бензиновые дви­гатели) и газ (газовые двигатели).

Двигатели с искровым зажиганием могут быть карбюратор­ные (рис. 1.3) и газовые, в которых топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндры, подготавливается вне их, т. е. в авто­номном устройстве, называемом карбюратором или смесителем. По другому признаку классификации эти двигатели относят к ДВС с внешним смесеобразованием.

* Далее ГЩВС для краткости будут обозначаться ДВС.

14

Рис. 1.5. Схема и индикаторная диаграмма дизеля:

1 - редуггор; 2 - ТНВД; 3 - форсунка

Имеются также двигатели с впрыском топлива непосредст­венно в цилиндр или во впускной трубопровод (обычно на впуск­ной клапан) рис. 1.4.

Дизель относится к двигателям с внутренним смесеобразова­нием (рис. 1.5).

Следует отметить и еще один признак, отличающий двига­тель с искровым зажиганием от дизеля,— способ регулирования мощности.

Двигатели с искровым зажиганием относятся к ДВС с коли­чественным регулированием, мощность которых регулируется на большей части режимов изменением количества подаваемой в цилиндры топливовоздушной смеси (ТВС).

Дизели являются двигателями с качественным регулирова­нием, так как в них для изменения мощности в практически неизменное количество воздушного заряда впрыскивается раз­личное количество топлива, что резко меняет состав ТВС, т. е. относительное содержание в ней топлива и воздуха.

Это обстоятельство существенно влияет на характер физико­химических процессов, обеспечивающих преобразование энергии топлива в механическую работу.

По способу осуществления цикла различают двухтактные и четырехтактные ДВС. Из определения такта работы как совокупности процессов, протекающих в цилиндре двигателя при перемещении поршня между верхней и нижней мертвыми

15

точками (ВМТ и НМТ), следует, что в четырехтактном ДВС рабочие процессы совершаются за два оборота коленчатого вала, в двухтактном — за один.

2. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ДВС

Характер процессов, формирующих рабочий цикл ДВС, за­висит от принципов организации газообмена, способа организа­ции смесеобразования (внешнее или внутреннее) и воспламенения (от искры или от сжатия).

1. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рабочий процесс двигателя принято анализировать по ин­дикаторной диаграмме, представляющей собой зависимость дав­ления в цилиндре двигателя р от переменного объема надпорш- невого пространства V.

Индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя приведена на рис. 1.3.

• I такт (впуск) реализуется при повороте кривошипа от

О до 180°, чему соответствует изменение объема надпоршневого пространства от V_c (объем камеры сгорания) при ср = 0° (ВМТ) до У а— К+ Vh (полный объем цилиндра) при <р —180° (НМТ). Объем Vf, называют рабочим объемом цилиндра.

В действительном цикле понятия «такт» и «процесс» не совпадают. Для лучшей организации процессов газообмена кла­паны открываются до начала соответствующего такта и закрыва­ются по его окончании.

Перед началом впуска в объеме камеры сгорания V_c находят­ся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, кото­рые называются остаточными газами (см. рис. 1.3). Заполнение цилиндра свежим зарядом (линия га на диаграмме) происходит из-за разрежения в нем, создаваемого движущимся в сторону НМТ поршнем.

Давление р_а в конце тахта впуска (точка а) определяется гидравлическими потерями во впускном тракте, величина кото­рых зависит от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя (от скорости перемещения ТВС по впускному тракту и от степени открытия дроссельной заслонки). На режиме номи­нальной мощности (дроссель открыт полностью, и частота вра­щения коленчатого вала равна номинальной) />_д=(0,8...0,9)р_о.

На температуру Т_а влияют теплообмен свежего заряда с эле­ментами двигателя, формирующими впускную систему и камеру сгорания, и его охлаждение за счет затрат теплоты на испарение топлива, для компенсации которых в карбюраторном двигателе осуществляется специальный подогрев ТВС во впускном трубо­

16

проводе, ОГ или горячей жидкостью из системы охлаждения. Кроме того, температура свежего заряда увеличивается вследст­вие перемешивания его с горячими остаточными газами.

На номинальном режиме в карбюраторном двигателе прева­лирует подогрев свежего заряда и !Г_а=320...350 К.

• II такт работы двигателя (сжатие) осуществляется при повороте кривошипа на уголц>= 180...360° (линия ас на диаграм­ме). На расчетные значения параметров рабочего тела в конце сжатия (точка с) в основном влияют их начальные значения (р_а, Т_а) и степень сжатия е, которая равна отношению объемов V_a и V_c, т. е, &=V_ajV_c. При значениях г, характерных для со­временных карбюраторных двигателей (е = 6,5...Ю), р_с = 0,9...1,5 МПа и Г_с=550...750 К.

При реализации действительного цикла давление в конце такта сжатия, т. е. при положении поршня в ВМТ, р'_с >р_с; р' = (1,15...1,25)р_с, что является следствием повышения давления в результате начавшегося процесса сгорания (точка /—момент искрового разряда в свече зажигания). Угловой интервал от момента подачи искры до прихода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания.

• III такт (<р = 360...540°) — такт расширения. Во время этого такта работы двигателя происходят сгорание основной доли поданного в цилиндр топлива, расширение рабочего тела и осуществляется полезная работа.

Вблизи ВМТ при повороте кривошипа на угол ^_г=10...15°. давление в цилиндре достигает максимума р_г—3,5...6,5 МПа и со­ответственно возрастает температура рабочего тела до Г_г=2400...2800 К Отношение X — pjp_c называют степенью повы­шения давления. Для современных карбюраторных двигателей Л=3,6...4,2.

По завершении такта расширения РТ имеет расчетные значе­ния давления и температуры, соответственно р_Л = 0,35...0,5 МПа, Т_ь= 1400,.. 1700 К.

Следует заметить, что в действительном цикле процесс рас­ширения заканчивается раньше, чем поршень приходит в НМТ, из-за раннего начала открытия выпускного клапана.

• IV такт (ф = 540...720°) — такт выпуска — осуществля­ется под некоторым избыточным давлением р_с—(1,05..Л,2)р_о, величина которого зависит от гидравлических потерь в вы­пускной системе. Отработавшие газы покидают цилиндр с Г_Г=900...1Ю0 К.

При термодинамическом расчете действительного цикла карбюраторного двигателя принимается допущение, что основ­ная доля теплоты при сгорании топлива выделяется вблизи ВМТ, т. е. при условиях, близких к условиям подвода теплоты при постоянном объеме (F=const).

17

2. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ

Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля приведена на рис. 1.5. С целью обеспечения достаточной тем­пературы для надежного самовоспламенения степень сжатия в дизелях назначается много большей, чем в карбюраторных двигателях: £ —14...23.

За первые 180° поворота кривошипа (<р = 0... 180°) реализуется такт впуска.

Процесс наполнения цилиндров свежим зарядом (в дизеле это воздух) и значения параметров РТ в конце такта (точка а) определяются следующими факторами:

• гидравлические потери во впускной системе дизеля замет­но меньше, чем в карбюраторном двигателе (нет диффузора карбюратора и дроссельной заслонки), и они не изменяются при изменении нагрузки на двигатель;

Щ во впускной системе нет отвода теплоты от свежего заря­да при испарении топлива ввиду отсутствия последнего в свежем заряде дизеля, вследствие чего отпадает необходимость в специ­альном подогреве впускного трубопровода.

По этой причине давление в точхе а в дизеле больше, чем в двигателе карбюраторном: р_в=(0,85...0,92)р_о.

Температура Т_а в дизеле несколько ниже, чем в карбюратор­ных ДВС (7'_а=310...350 К), в основном из-за того, что при больших степенях сжатия к свежему заряду подмешивается от­носительно меньшее количество ОГ. имеющих более низкую температуру. Особенностью такта сжатия в дизеле (<р= 180...360^е) являются более высокие, чем в карбюраторном двигателе, термо­динамические параметры рабочего тела в гонке с: /?_с = 3,5...6,0 МПа, Г_с=700...900 К, что объясняется в основном большей вели­чиной степени сжатия.

В конце такта сжатия в камеру сгорания начинают впрыски­вать топливо. Угол, на который повернется коленчатый вал от момента начала впрыскивания топлива до прихода поршня в ВМТ, называется углом опережения впрыскивания.

Вследствие начинающегося еще до ВМТ процесса сгорания давление в цилиндре р'^ превышает расчетное значение р_е: р'_с=(105..Л,15)р_с.

Если в карбюраторном двигателе после подачи искры про­цесс сгорания происходит в условиях заранее подготовленной достаточно однородной рабочей смеси, то в дизеле ее подготовка происходит за короткий интервал времени, предшествующий сгоранию топлива от начала подачи, при этом значительная его часть впрыскивается в цилиндр непосредственно в процессе сго­рания. Все это приводит к тому, что вблизи ВМТ в дизеле сгорает существенно меньшая, чем в карбюраторном ДВС, часть всего подаваемого топлива и значительное его количество горит после

18

ВМТ при заметном увеличении объема надпоршневого простран­ства. Поэтому при идеализации действительного цикла дизеля процесс сгорания имитируется подводом части теплоты к РТ при

const, а другой части — при /7=const.

В значительной мере следствием этого является то, что степень повышения давления к — 1,4...2,2 меньше, чем аналогич­ная величина в карбюраторном двигателе. Максимальное давле­ние цикла в дизеле и соответствующая температура в точке z: р_г=6,0...10,0 МПа; T_z—1800...2300 К. Более низкие значения Т_г по сравнению с бензиновым двигателем являются в основном след­ствием большего значения коэффициента избытка воздуха.

Расчетные параметры РТ в конце такта расширения (точка Ъ) р_ь=0,2...0,4 МПа и Т_ь —1000... 1200 К ниже, чем в карбюраторном двигателе из-за более высокой степени сжатия и соответственно большей степени расширения продуктов сгорания.

Такт выпуска (ср = 540...720°) каких-либо принципиальных особенностей не имеет. Давление в точке г (конец такта выпуска), как и в случае карбюраторного двигателя, определяется вели­чиной гидравлических потерь в выпускной системе р_г = = (1,05...1,2)/>_о, а температура РТ ниже, чем в карбюраторном двигателе, 7).=700...900 К, что объясняется более низкой тем­пературой в конце такта расширения Т_ь.

3. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ДВУХТАКТНОГО ДВС

Действительный цикл двухтактного двигателя реализуется за два перемещения поршня между ВМТ и НМТ, что соответствует одному обороту коленчатого вала.

Процессы сжатия, сгорания и расширения в двух- и четырех­тактных двигателях принципиальных отличий не имеют, и осо­бенности рабочих процессов этих двух типов двигателей заклю­чаются в различных способах организации газообмена.

На рис. 1.6 приведена схема двухтактного двигателя.

Основу его конструкции составляют кривошипно-шатун­ный механизм 1, продувочный нагнетатель 2, выпускное 3 и про­дувочное 4 окна. Здесь же приведена его индикаторная диа­грамма.

Первый такт (<р = 0...180°) состоит из следующих процессов: c'z — часть процесса сгорания; zl — процесс расширения. Точка 1 индикаторной диаграммы соответствует началу от­крытия поршнем выпускного окна 3, после чего начинается свободное истечение ОГ. При дальнейшем движении поршня в сторону НМТ он открывает продувочное окно 4 (точка

2. диаграммы), после чего вплоть до достижения НМТ (точка а диаграммы) через продувочное и выпускное окна осуществляется продувка цилиндра свежим зарядом, а давление

19

Рис. 1.6. Схема и индикаторная диаграмма двухтактного двигателя

Рис. 1.7. Энергетический баладс ДВС

в цилиндре устанавливается на уровне давления р„ создаваемого нагнетателем (Рх>Ро)-

Продувка продолжается и в начале второго такта работы двигателя (q>= 180...360°) при движении поршня вверх до полного перекрытия поршнем продувочного окна (точка 3). После этого вплоть до полного закрытия выпускного окна осуществляется вытеснение части заряда, находящегося в надпоршневом про­

20

странстве (точка 4). Далее следует процесс сжатия 4f, в конце которого (точка f) в карбюраторном двигателе подается элект­рическая искра, в дизеле начинается впрыскивание топлива и про­исходит процесс сгорания.

Отличительной особенностью двухтактного двигателя явля­ется то, что не весь рабочий объем цилиндра V_h используется для расширения; часть его V„, называемая потерянным объемом, используется для организации процессов газообмена. Отношение Ч> = VJ V/, называется долей потерянного объема, и в зависимости от схемы продувки <р=0,1...0,28. В связи с этим в двухтактных двигателях различают степени сжатия: действительную е_д=

• (К+УО/Vc и геометрическую e=(V_e + V_h)jV_c. Здесь V'_h- V_h- V_a

• объем цилиндра, используемый для расширения рабочего те­ла. Очевидно, что е>е_д.

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС И ЭКОНОМИКО­ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВС

Энергетический баланс, приведенный на рис. 1.7, показывает, как энергия, которая могла бы выделиться при полном сгорании всего поданного в цилиндр двигателя топлива за цикл его работы Q_l, разделяется на полезную (эффективную) работу Д. и на основные виды потерь (тепловые Quot и механические Q_M):

Q₁ = L_e+Q_noT+Q_M.

Если при совершении одного цикла двигателя в цилиндр подается д_Д топлива, то Q_x~q_sH_K} где Н_и— низшая теплота сгорания.

Часть теплоты Q_x идет на совершение индикаторной работы цикла L_u которая представляет собой избыточную работу, полу­чаемую за такты сжатия и расширения (рис. 1.8):

L_t=L_p-|LJ.

В соответствии с этим L_t представляется на индикаторной диаграмме заштрихованной площадью.

На практике в качестве показателя работоспособности цикла используется не индикаторная работа, которая определяется не только совершенством организации рабочих процессов, но и раз­мерностью двигателя, а удельный показатель p_h представля­ющий собой индикаторную работу цикла, снимаемую с единицы рабочего объема Pi=L,IV_h, который имеет размерность давления и называется средним индикаторным давлением.

Экономичность действительного цикла оценивается индика­торным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной в цикл с топливом 01, преобразуется в индикаторную работу

21

Рис. 1.8. К определению индикаторной работы цикла

rji^LJQ^ Этот показатель характеризует уровень тепловых по­терь в двигателе и с учетом того, что L, = — Q_xr,

1 ^— бпот/6l ^{= 1} - (божл + бог + Qjk)!Q 1 ■

Таким образом, возрастание любого вида потерь теплоты, будь то потери теплоты при теплообмене заряда с элементами, формирующими внутрицилиндровое пространство Q_aia (потери в окружающую среду, в основном в систему охлаждения), или потери теплоты, аккумулированной рабочим- телом, покида­ющим цилиндр в процессе выпуска Q_m (потери с отработавшими газами), либо потери, связанные с неполным сгоранием подан­ного в цилиндр топлива Q_HC (потери теплоты из-за неполноты сгорания), вызывает уменьшение tj_r

Индикаторная работа, получаемая за 1 с, называется ин­дикаторной мощностью N_;=Lilt_a. Здесь /_д — время реализации одного рабочего цикла. Если частота вращения коленчатого вала двигателя п, мин"¹, то величина обратная (1/и) — время одного оборота в минутах и 60/и — в секундах. В этом случае /_в=(60/п) 0,5т, где г — коэффициент тактносги, равный двум для двух- и четырем для четырехтактных двигателей. С учетом того, что Li=PiV_h, при количестве цилиндров двигателя, равном i, мощность N_t (кВт) равна

N_t=_PlniV_Hl( 30т). (1.1)

Для оценки экономичности двигателя большее практическое применение получил параметр, называемый удельным индикатор­

21

ным расходом топлива g_h показывающий, какое количество топ­лива расходует двигатель на производство единицы индикатор­ной работы:

'St—-г- (^L2>

Ц

Величина g_t обычно выражается в г/(кВт • ч), поэтому в чис­лителе уравнения (1.2) расход топлива задают в размерности

G_T

кг/ч, а в знаменателе — кВт, вследствие чего g_t=— 10³.

Индикаторная работа частично идет на преодоление вне­шней нагрузки (т. е. применительно к транспортным средствам передается на трансмиссию), где совершает полезную работу Д., и на преодоление потерь внутри двигателя (механические или внутренние потери) L^, состоящие из потерь работы на трение Ljp, на реализацию процессов газообмена L^,*, на привод вспомо­гательных агрегатов и механизмов L, (масляный и водяной насо­сы, топливоподающая аппаратура дизелей и т. д.).

Уровень механических потерь в двигателе оценивается меха­ническим КПД rf_M, показывающим, какая доля индикаторной работы преобразуется в эффективную г\_ы=LJL_h или с учетом того, что L_t=L_i—L_bm,

Соответственно совокупные потери в двигателе оцениваются эффективным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введен­ной с топливом, преобразуется в эффективную работу

>/е = Le/Ql = LfbJQl = (1.3)

N_e=_PeniV_hl( 30т). (1.4)

Здесь Ре—LJ V_h — среднее эффективное давление (параметр,

аналогичный р,). Эффективный крутящий момент двигателя М_х пропорционален р_с, т. е. M_I=p_ciV_hl(m) = cp_e.

Общепринятым для оценки экономичности двигателя явля­ется параметр, называемый удельным эффективным расходом топлива g„ показывающий, какое количество топлива расходует­ся на производство единицы эффективной работы:

g_e=G?IN'. 10³. (1.5)

“Потери на газообмен могли бы быть учтены как отрицательная часть работы цикла, пропорциональная площади bra на диаграмме рис!. 1.9. Однако в этом случае неправомочно было бы сравнивать щ с щ соответствующего термодинамического цикла в силу отсутствия в последнем процессов газообмена.

23

Все одноименные индикаторные и эффективные показатели связаны между собой механическим КПД:

Чм ⁼ LJLi = NJNj—Pi;JPi⁼gilge-

Значения индикаторных и эффективных показателей совре­менных двигателей транспортных машин приведены в табл. 4.1 и 4.2.

5. ЛИТРОВАЯ МОЩНОСТЬ И МЕТОДЫ ФОРСИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ

Литровой мощностью называют номинальную эффективную мощность, снимаемую с единицы рабочего объема двигателя:

N_a=N_e/m=p_snlQ0t)- (1.6)

Чем выше литровая мощность, тем меньше рабочий объем и соответственно меньшие габариты и массу имеет двигатель при одинаковой номинальной мощности.

По литровой мощности оценивают степень форсированно- сти. Двигатели, имеющие высокие значения N_m называют фор­сированными.

Комплекс технических мероприятий, способствующих повы­шению литровой мощности, называют форсированием двигателя.

Возможные способы форсирования двигателей следуют из выражения (1.6); N_n увеличивается с увеличением номинальной частоты вращения п, среднего эффективного давления р_е или при применении двухтактного рабочего процесса.

Увеличение литровой мощности посредством повышен' и широко используется в карбюраторных двигателях, для с временных моделей которых п достигает 6500 мин^-1 и выше.

Дизели грузовых автомобилей, как правило, имеют номи­нальную частоту вращения, не превышающую 2600 мин^-1.

По этой причине литровая мощность дизелей без наддува находится в пределах от 12 до 15 кВт/л и существенно уступает аналогичному показателю карбюраторных двигателей, имеющих АГ_Л=20...50 кВт/л.

Однако в настоящее время в ряде конструкций дизелей лег­ковых автомобилей трудности форсирования их по частоте вра­щения удается преодолеть. Появляется все большее количество дизелей с номинальной частотой вращения « = 4500...5500 мин^-1 и литровой мощностью до 20 кВт/л.

Для дизелей форсирование по частоте вращения менее харак­терно, чем для двигателей карбюраторных, для которых этот способ повышения литровой мощности является одним из основ­ных.

Как следует из анализа зависимости (1.6), при переходе

24

с четырехтактного рабочего цикла на двухтактный литровая мощность должна увеличиваться в два раза.

В действительности же при этом N_n увеличивается всего лишь в 1,5... 1,7 раза вследствие использования лишь части рабо- чего объема на процессы газообмена и снижения качества очист- ки и наполнения цилиндров, а также в результате дополнитель- ных затрат энергии на привод продувочного насоса.

Большая (на 50...70%) литровая мощность — существенное достоинство двухтактного двигателя. Однако недоиспользование части рабочего объема цилиндра для получения индикаторной работы приводит к тому, что они имеют заметно более низкие энергоэкономические показатели, чем аналогичные четырехтакт- ные двигатели.

К недостаткам двухтактных ДВС следует отнести сравните- льно большую тепловую напряженность элементов цилиндропо- ршневой группы из-за более кратковременного протекания про- цессов газообмена и, следовательно, меньшего теплоотвода от деталей, формирующих камеру сгорания, а также большего теп- лоподвода к ним в единицу времени, что объясняется вдвое более частым следованием процессов сгорания.

Большим недостатком двухтактных карбюраторных двига- телей является потеря части горючей смеси в период продувки цилиндра, что значительно снижает их экономичность.

Особое место в ряду мероприятий, направленных на повы- шение литровой мощности, занимает форсирование двигателей по среднему эффективному давлению р_с.

Однако существенного увеличения N„ путем повышения р_с удается достигнуть лишь при увеличении тепловой нагружен- ное™ рабочего цикла из-за подвода к рабочему телу большего количества теплоты.

Необходимая для этого подача в цилиндр большего количе- ства топлива (возрастание цикловой

подачи <7д) требует для его полного сжигания и большего количества оки- слителя. На практике это реализуется путем увеличения количества свежего заряда, нагнетаемого в цилиндр дви- гателя под давлением.

Этот способ носит название над- дува двигателя. При этом р_е возраста- ет практически пропорционально уве- личению плотности свежего заряда.

На рис. 1.9 изображена схема двигателя с наддувом и механическим

приводом компрессора от коленчато-

го вала.

Рис. 1.9. Схема наддува двига­теля с приводным компрессором

25

2

or

Одним из недоста- тков такой системы наддува является суще- ственное снижение эко- номичности двигателя, обусловленное необхо- димостью затрат энер- гии на привод компрес- сора.

Рис. 1.10. Схема турбонаддува

Наибольшее рас- пространение в практи- ке современного двига- телестроения получил газотурбинный наддув, схема которого приве- дена на рис. 1.10.

Здесь для привода

центробежного компрессора 1 используется энергия ОГ, срабаты­ваемая в газовой турбине 2, конструктивно объединенной с комп­рессором в единый агрегат, который называют турбокомпрес­сором (ТК).

Поскольку при газотурбинном наддуве отсутствует механи­ческая связь агрегата наддува с коленчатым валом двигателя, применение ТК заметно ухудшает тяговые характеристики и при­емистость двигателя. Это связано с инерционностью системы роторов ТК, а также с уменьшением энергии отработавших газов при малых нагрузках, в связи с чем, особенно в начале разгона, не обеспечивается подача в цилиндр нужного количества свежего заряда. Для преодоления этих недостатков нередко возникает необходимость использования комбинированного наддува. Систе­ма комбинированного наддува выполняется в различных конст­руктивных вариантах и обычно представляет собой определен­ные комбинации наддува с приводным компрессором и газотур­бинного наддува.

Для повышения плотности свежего заряда, подаваемого в цилиндры двигателя, в ряде случаев используются колебатель­ные явления в системах газообмена (пульсации РТ в системе впуска и выпуска), являющиеся результатом цикличности следо­вания процессов газообмена в цилиндре.

Если, например, задать впускному патрубку такие конструк­тивные параметры (в основном длину и площадь проходного сечения), чтобы перед закрытием впускного клапана около него была волна сжатия, то масса поступающего в цилиндр заряда увеличивается.

Аналогичный эффект можно получить, «настроив» выпуск­ной трубопровод так, чтобы при открытом выпускном клапане вблизи него была волна разрежения. В результате этого улучшит­

26

ся очистка цилиндров и в него поступит большее количество свежего заряда.

При правильном выборе геометрических параметров систем газообмена в отдельных случаях с помощью динамического над­дува становится возможным увеличить эффективную мощность двигателя на 15...25%.

При использовании наддува увеличивается механическая и тепловая напряженность элементов, формирующих камеру сго­рания, что является одним из основных факторов, ограничива­ющих возможное увеличение плотности свежего заряда, поступа­ющего в цилиндр. Поэтому при конструировании двигателей с наддувом и выборе величины давления на выходе из компрес­сора р'_х необходимо учитывать возможные последствия роста механических и тепловых нагрузок на его элементы.

По величине создаваемого на входе в цилиндр дизеля давле­ния р_ж (или степени повышения давления n_T=pJp₀) различают наддув низкий я_т< 1,5, средний я_ж> 1,5...2,0 и высокий я_ж>2,0. При этом эффективная мощность двигателя увеличивается соот­ветственно на 20...30, 40...50 и более 50%.

Применение наддува в двигателях с искровым зажиганием требует принятия специальных мер по предотвращению наруше­ния процесса сгорания, называемого детонацией (см. п.3.3.1 и 3.4.4). Это обстоятельство, а также более высокая тепловая напряженность лопаток турбины из-за большей температуры ОГ существенно усложняют практические возможности использова­ния наддува в двигателях данного типа.

6. ПОКАЗАТЕЛИ НАПРЯЖЕННОСТИ, МАССОГАБАРИТНЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ

Для оценки эффективности работы и совершенства конструк­ции двигателей используется система показателей, характеризу­ющих различные свойства и качества ДВС.

Ранее уже анализировались показатели, относящиеся к кате­гории экономико-энергетических (g_e, р_е, rj_e), по которым оценива­ется совершенство организации рабочих процессов и конструкции с точки зрения экономичности (?/,, q_t) и работоспособности (pi), а также уровень энергетических затрат на собственные нужды двигателя (р_м, Т]_ы).

Большое значение для оценки надежности и долговечности двигателя имеют показатели, характеризующие тепловую и ди­намическую напряженность его конструкции.

Основным показателем является средняя скорость поршня c_a—SnJ30, м/с, где S — ход поршня, м; и — частота вращения ко­ленчатого вала, мин^-1. Этот параметр оценивает механическую напряженность, так как определяет уровень нагруженности дета­

27

лей двигателя инерционными силами, пропорциональными с_ш а также косвенно характеризует износ сопряженных элементов.

Параметром, определяющим комплексную напряженность (тепловую и механическую), является поршневая мощность (кВт/дм²)

N_a=N'/(iFJ.

JV_n представляет собой эффективную мощность, приходящу­юся на единицу площади всех поршней. Этот параметр тесно связан с литровой мощностью двигателя, так как с учетом того, что iF_a=iVkfS, N_e=N„S.

После подстановки в эту зависимость выражения (1.6), опре­деляющего N_n, получим

N_s ⁼ PzЈ\ij г.

Здесь р_е характеризует тепловую и механическую, а с_а — ди­намическую напряженность конструкции двигателя.

В группу массогабаритных показателей входит удельная мас­са (кг/кВт), gy=M_wIN_c, представляющая собой массу сухого дви­гателя Л/_да, отнесенную к его номинальной эффективной мощ­ности, а также литровая масса (кг/л)

g„=MJ(iV_h).

Эти показатели связаны между собой через литровую мощ­ность: g_N—g„/N_n.

При одинаковом рабочем объеме g„ у дизелей больше, чем у карбюраторных двигателей, в основном из-за большей массы элементов конструкции вследсгше более высокой их тепловой, механической и динамической напряженности. Учитывая, что ди­зели без наддува, как правило, имеют меньшую N„, для них ха­рактерны большие, чем в двигателях с искровым зажиганием, значения удельной массы.

Характерные значения массогабаритных показателей и пара­метров тепловой, механической и динамической напряженности конструкции основных типов транспортных двигателей приведе­ны в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Тип ДВС		Параметры
	сп, м/с	Na, кВт/дм1	«л. яф	ftf. п-/гВт
Карбюратор­ ный	8...6	22...41	50...120	1.4...7
Дизель (без наддува)	9...12	11...19	30...15С	2,8... 10

28

Для дизелей с наддувом эти показатели в значительной мере варьируются в зависимости от я_ж и могут быть ориентировочно оценены по следующим эмпирическим зависимостям (при 1,5 <

<7^ <2,5): £*„)————, grm———■-■ Здесь параметры с индексом я_ж—0,5 п,—0,5

«н» относятся к модификации двигателей с наддувом.

Особое положение в системе показателей ДВС занимают экологические показатели, которые характеризуют наличие в от­работавших газах токсических компонентов, а также излучение звуковой энергии в окружающее пространство. Если уровень экономико-энергетических и массогабаритных показателей опре­деляется в основном техническими, экономическими, а часто и конъюнктурными соображениями, то экологические показатели ДВС жестко регламентируются соответствующими государст­венными и международными стандартами и правилами (см. гл. 6).

7. ПОНЯТИЕ О ХАРАКТЕРИСТИКАХ

И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

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

Характеристикой ДВС называется зависимость (как прави­ло, графическая) показателей двигателя от режима работы или от параметров, связанных с регулировкой его основных систем.

Режимы работы двигателя определяются нагрузкой р„ N_e и частотой вращения коленчатого вала я.

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

Если положение органа управления соответствует макси­мальной подаче топлива или горючей смеси, то такая скоростная характеристика носит название внешней.

Характеристику, полученную при работе двигателя с любым постоянным промежуточным положением органа регулирования, называют частичной скоростной характеристикой.

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

29

Нагрузочной характеристикой называется зависимость пока- зателей двигателя от р_с (или N_e) при фиксированной частоте вращения коленчатого вала. По ней определяется предельная для данной частоты вращения мощность, а также оценивается эконо- мичность работы двигателя при различных нагрузках.

Помимо этих характеристик для поршневого ДВС на прак- тике широко используются так называемые регулировочные хара- ктеристики, представляющие собой зависимости показателей ра- боты двигателя от регулируемого параметра (например, коэф- фициента избытка воздуха, угла опережения зажигания, угла опережения впрыскивания топлива и т. д.). Данные характеристи- ки используются для определения оптимальных параметров ра- боты систем топливоподачи и зажигания.

На рис. 1.11 схематичес- ки показано поле нагрузоч- ных и скоростных режимов работы автомобильного двигателя. Выше оси абсцисс расположена область актив- ных режимов работы двига- теля (А). На этих режимах работа двигателя положите- льна. Сверху область огра- ничена кривой максималь- ного крутящего момента по внешней скоростной харак- теристике 1\ справа — регу- ляторной ветвью или вет- вью снижения крутящего момента при частоте враще-

ния выше номинальной 2; слева — минимальной устойчивой ча- стотой вращения вала при данной нагрузке 3.

Точки, лежащие на оси абсцисс, соответствуют режиму холо­стого хода, начиная от минимальной частоты вращения вала на холостом ходу (4) и заканчивая так называемой разносной частотой вращения холостого хода (5) или максимальной часто­той вращения при работе с регулятором.

Ниже линии абсцисс расположены пассивные режимы рабо­ты двигателя. В этой зоне, ограниченной 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 .

В реальной эксплуатации многие транспортные установки работают значительное время в условиях неустановившихся (пе­реходных) режимов работы, когда показатели и тепловое состо­

Рис. 1.11. Поле нагрузочных и скоро­стных режимов работы автомобильно­го двигателя

30

яние двигателя изменяются во времени. Это имеет место при разгоне и торможении транспортного средства двигателем, при изменении нагрузки и частоты вращения и т. д. Доля переходных режимов может быть меньшей или большей в зависимости от технологического цикла и условий эксплуатации.

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

Для конкретной категории транспортных средств, на кото­рых используется данный двигатель, можно выделить совокуп­ность наиболее характерных режимов его работы. Так, например, для ДВС, используемых на автомобилях, осуществляющих горо­дские перевозки, характерны относительно большие периоды работы на режимах разгона, торможения двигателем, холостого хода и на частичных нагрузках. В то же время двигатели автомо­билей, предназначенных для междугородных перевозок, большой период эксплуатации работают на установившихся режимах, близких к режиму номинальной мощности.