Глава 7

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ. КОМПЛЕКСНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВС

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Автомобильные двигатели работают в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, а также в условиях их частого изменения. Под режимом работы двигателя понимается определенная совокупность параметров рабочего процесса, фак­торов внешней среды и внешней нагрузки, обеспечивающих дви­гателю определенные мощностные, экономические и экологичес­кие показатели.

Характеристики двигателя выражают зависимость его пока­зателей от одного или нескольких из режимных (и, N_e, р_е, tj_v, Gra и др.) или регулировочных (а, фо._э, фо.т, Рх и др.) параметров при постоянстве некоторых других параметров. По характери­стикам двигателя оценивают его эксплуатационные качества, степень конструктивного совершенства, эффективность вносимых в двигатель изменений при доводке рабочего процесса, правиль­ность регулировок, а также соответствие двигателя тому или иному назначению.

Характеристики двигателя определяют, как правило, на ус­тановившихся режимах (УР), основным признаком которых яв­ляется постоянство во времени значений каждого из параметров, характеризующих режим. При этом при оценке их постоянства не принимается во внимание циклический характер работы двига­теля (т. е. колебания параметров в течение рабочего цикла), а также случайные отклонения от цикла к циклу, вызванные их неидентичностью (невоспроизводимостью).

УР характеризуются равенством мощностей двигателя (N_c) и потребителя (N_c), а также их постоянством во времени, т. е.

d N_e d N_c

N_e-N_c = 0; —=— = 0; ... . (7.1)

dt dr

Для режима холостого хода УР определяется равенством индикаторной мощности и мощности механических потерь.

10—487

305

Необходимым условием УР является также обеспечение тем­пературы охлаждающей жидкости и масла, указанных в техничес­ких условиях на двигатель.

Экспериментальным методом характеристики определяют на специальных стендах, позволяющих нагружать двигатель и поглощать развиваемую им мощность во всем диапазоне режи­мов. Устройства, нагружающие двигатель и поглощающие его энергию, называют тормозами. Стенды оборудованы средства­ми измерений основных показателей двигателя и параметров режима его работы.

Методы стендовых испытаний регламентированы стандар­тами.

гг регулировочные характеристики

Регулировочными характеристиками называются зависимо­сти основных показателей двигателя от значения одного или нескольких из регулировочных параметров при постоянной ча­стоте вращения коленчатого вала (л = const).

Серия регулировочных характеристик, определенных на не­скольких скоростных и нагрузочных режимах, позволяет выбрать и оценить регулировки соответствующих систем двигателя (топ­ливоподачи, зажигания, впрыскивания, наддува и т. д.) и опреде­лить закономерности изменения оптимальных значений регули­ровочных параметров на различных режимах.

1. РЕГУЛИРОВОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ ПО СОСТАВУ СМЕСИ

Регулировочной характеристикой по составу смеси называет­ся зависимость основных показателей двигателя от состава сме­си, определяемая при постоянстве скоростного режима двигателя и некоторых других факторов, а также при оптимальных по величине N_e значениях угла опережения зажигания (У03) дня каждого состава смеси (<р₀.з = <Ро.з.от)-

Регулировочные характеристики по составу смеси могут определяться тремя различными способами:

• при постоянном положении дроссельных заслонок (ДЗ) карбюратора (<Рдр=const), что обеспечивает примерное постоян­ство расхода воздуха (G»=const);

• при постоянной мощности двигателя (N_e=const);

• при постоянном расходе топлива (G_T=const).

При средних нагрузках могут использоваться все три спосо­ба. Более простым является первый способ, принципиально более правильным — второй, так как для движения автомобиля в кон­кретных условиях необходима постоянная мощность, не завися­

306

щая от состава смеси; сочетание степени открытия ДЗ и состава смеси должно обеспечивать реализацию этой мощности при ми- нимальном расходе топлива. На режимах полных нагрузок при- годен только первый способ, а на режимах холостого хода — только второй. Третий способ используется при испытании дви- гателей с системами впрыскивания топлива, когда цикловая по- дача не зависит от изменения давления во впускном трубопрово- де при изменении положения ДЗ.

Серия регулировочных характеристик по составу смеси, определенная на нескольких скоростных режимах и при несколь- ких положениях ДЗ, используется:

• для определения предельных мощностных, экономических и токсических показателей двигателя на исследуемых режимах;

ф для выбора регулировок топливоподающей аппаратуры или для оценки ее качества;

ф для оценки качества рабочего процесса по абсолютным значениям предельных показателей двигателя и по составам сме- си, соответствующим максимальной мощности, экономичности и предельным значениям токсичности ОГ.

Изменение а при снятии регулировочных характеристик по составу смеси осуществляется, как правило, путем изменения расхода топлива. В карбюраторных двигателях это достигается изменением проходного сечения главного топливного жиклера с помощью конусной иглы или изменением давления в поплавко- вой камере карбюратора, а в двигателях с впоыскиванием бен-

зина и электронным управ- лением — путем изменения д лительности управляюще- го импульса форсунки.

Анализ регулировочной характеристики по составу смеси, снятой при постоян- ном положении ДЗ (первый способ), показывает (рис.

7.1), что максимум мощнос- ти (iV_cmM) и минимум удель- ного расхода топлива (g_emin) достигаются при различных составах смеси, называемых соответственно мощност- ным (aj и экономическим

(Оэж).

При rf,=const величина Pi пропорциональна отноше- нию rfr/и. При некотором обогащении смеси (а=ос_ы) ве-

Рис. 7.1. Регулировочная характеристика по составу смеси при постоянном положе­нии ДЗ (»f_v-con«t); (Рд£=100%, л=2000

307

личина t\ i/a достигает максимума и все энергетические показатели (Ри р_е, N_e) также имеют максимальное значение. Это объясняется тем , что величина 1/а пропорциональна количеству введенной с топливом теплоты, поэтому отношение характеризует произ­ведение tii на количество введенной с топливом теплоты, т. е. ко­личество теплоты, превращенной в индикаторную работу. При a<a_M отношение tj_s/a начинает уменьшаться и происходит сниже­ние p_h Кроме того, соответственно понижается величина т]_ы и, как следствие этих причин, падает значение p_e(N_e).

Индикаторный КПД возрастает при обеднении смеси до оп­ределенного предела который соответствует оптимальному сочетанию полноты и скорости сгорания, а также величины теплоемкости ОГ. Дальнейшее обеднение смеси приводит к ухуд­шению условий воспламенения и снижению скорости сгорания, что выражается в снижении ?/,- и увеличении g_e. На последнее также влияет уменьшение г/_м. По этой причине соответству­ющий g_eтщ, несколько меньше а ^_(ШМ, При сильном обеднении смеси работа двигателя становится неустойчивой, вплоть до прекращения сгорания в отдельных цилиндрах и циклах.

Таким образом, ра-

3500

2500

1500

500

-NO,,

MAH

СН,

шн~'

*250

150

,граШ8

60

40

20

50

■0,9

■0,8

0,7

0,5

/ /	:	N \
т / IJ	но»-	\ \ \
V	сог	\	X \ L *
\о		СН \
<Д	>х—>		к
	со"
	Par-
			*1 * 1
			■9е
		1	Лзк

С0,С0₂₎Я 12

8

М

О

9е,<№г-У

320

300

280

260

0,8 1,0 1,2 /,« 1,6 *

Рис. 7.2. Регулировочная характеристика по составу смеси при постоянной мощности N_e= 15,7 кВт; «=2000 мин"¹

циональная регулировка карбюратора должна на­ходиться в пределах меж­ду о* и а_ж. На режимах полной нагрузки состав смеси целесообразно ус­танавливать несколько беднее а„: уменьшение

при этом мощности на

1. .2% приводит к повы­шению экономичности примерно на 10%. На ча­стичных нагрузках состав смеси стремятся устанав­ливать несколько богаче а»: при малом снижении экономичности это обес­печивает резерв на случай обеднения смеси, пониже­ния температуры воздуха, технологических отклоне­ний и т. д.

При снятии регули­ровочных характеристик вторым способом (N_e= = const) a„, как и в пер-

308

вом случае, определяется минимальным значением g_r или G_T (рис. 7.2).

С уменьшением нагрузки и частоты вращения зона рациона­льного регулирования сужается, смещаясь в область более бога­тых смесей. Уменьшение а* при снижении частоты вращения свя­зано с ухудшением смесеобразования во впускном трубопроводе и турбулизации заряда в цилиндре. Уменьшение при снижении нагрузки вызывается ухудшением условий воспламенения и сго­рания из-за более низких температур и давлений в цилиндре, а также из-за уменьшения концентрации топлива и кислорода вследствие увеличения разбавления заряда остаточными газами.

У современных бензиновых двигателей в широком диапа­зоне нагрузок лежит в пределах 1,1... 1,2, уменьшаясь по мере прикрытия ДЗ до Язд — 0,9... 1,00. У двигателей с наиболее совер­шенным рабочим процессом а* достигает 1,35...1,40.

На базе регулировочных характеристик по составу смеси можно получить характеристики оптимального регулирования

Рис. 7.3. Ха­рактеристи­ка опти­мального ре- гулирова- ния: iVh=l,l л, л=2000

д_е,

гЦнВт-ч)

650

550

500

*50

m

350

300

250

		.опт
1 ^ 1 1	V	\	1* 1 1
1 1 V 1	VJ		1 1	&ЭК	1 1 \ j
1 |\ 1 1 \ г гЛ \\	^ —. mm	£	"I4 -t-- I -j-J 1	ъ.	Г \
\i \i			1 1 1		I I
iV			1_ 1 Г+		%\ 1
j\ \		^ -	' 1 1 J \		1 } 1 1
	\	1	1 9e опт. / j		1 1 1
		xi N	/ 1 4	чЛ	l	J
						/

60

(Рм,грод.Ш

40

20-ity <*

1,2 1,0 ^0,8 %

0,8

0,6

о,и 0,2

2,0 0 6,0 8,0 Ю

12 ш г6

N_e, кВт

309

(ХОР) (рис. 7.3). В этом случае g_cmiB для каждого значения нагруз­ки определяют путем проведения огибающей к кривым удель­ного расхода топлива на регулировочных характеристиках. Точ­ки касания огибающей определяют оптимальное сочетание а, <р₀.₃ и г], для данной нагрузки. Величина а, которая при данной нагрузке обеспечивает минимальный удельный расход топлива, называется пределом эффективного обеднения л^.

x=J(G_B) сразу служат исходным материалом для построения базовых матриц для управления впрыскиванием бензина.

Нормы на выброс токсичных веществ (см. п. 6.12) могут рассматриваться в качестве дополнительных ограничений при выборе регулировок системы питания.

Регулировочной характеристикой по углу опережения зажи­гания называется зависимость основных показателей двигателя от величины УОЗ (<р₀._ъ) при постоянной частоте вращения колен­чатого вала (и=const) и постоянном положении ДЗ (<р_да = const). Эти условия предопределяют постоянство наполнения двигателя (f/_v=const) и постоянство состава смеси (а=const).

Такие характеристики используются:

• для нахождения оптимальных значений УОЗ на различ­ных скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя при¹ заданной регулировке топливоподающей системы;

При снятии регулировоч- ных характеристик по составу смеси третьим способом, т. е. при G_T=const критерием опти- мального по экономичности состава смеси при каждом зна- чении G_T может служить мак- симум мощности в зависимо- сти от расхода воздуха или со- става смеси (рис. 7.4). Для по- лучения ХОР в этом случае до- статочно соединить точки мак- симумов N_e на каждой ветви таких регулировочных характе- ристик. При этом, если вместо

_We расхода топлива используется

пропорциональная G_T величина

емые законы топливоподачи

2. РЕГУЛИРОВОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПО УГЛУ ОПЕРЕЖЕНИЯ ЗАЖИГАНИЯ

310

• для определения предельных мощностных и экономичес­ких показателей двигателя;

• для выбора регулировок автоматов управления УОЗ;

• для оценки требований к октановому числу топлива.

Вследствие постоянства расхода топлива зависимости N_e н

g_e от <р₀ , имеют обратный характер (рис. 7.5), а максимум N_e и минимум g_c достигаются при одном и том же значении <р_ол. Этот УОЗ называется оптимальным (р_ол._от. Зажигание называется поз­дним, если 9>о.з < <Ра.з.ат, И pOHHUM, если </>о.з >^о.з.опт-

Отклонение УОЗ от оптимального в действительном цикле эквивалентно изменению момента подвода теплоты относитель­но ВМТ в термодинамическом цикле. Теплота, выделившаяся при сгорании в конце такта сжатия и в начале такта расширения после прохождения поршнем ВМТ, не может быть использована с той же полнотой, как теплота, сообщенная в ВМТ, из-за уменьшения степени расширения.

_оптимальное зажигание --раннее зажигание —позднее зажигание

Рис. 7.5. Регулировочная характеристика по Рис. 7.6. Индикаторные диа- УОЗ: у,,=0,50; а=1,01 граммы при оптимальном, ран­

нем и позднем зажигании

311

При раннем зажигании из-за повышения p_z и T_z в цикле воз­растают потери теплоты в стенки, а также потери от утечек рабочего тела. Это уменьшает количество теплоты, израсходо­ванной на изменение внутренней энергии и на совершение полез­ной работы. Линия расширения в этом случае располагается ниже линии расширения при оптимальном зажигании, что приво­дит к снижению температуры ОГ (рис. 7.6). Вследствие повыше­ния температуры поверхности камеры сгорания и последних порций несгорезшей смеси при раннем зажигании увеличивается склонность двигателя к детонации.

При позднем зажигании увеличивается температура рабоче­го тела в процессе расширения, что приводит к увеличению потерь теплоты с ОГ и перегреву некоторых деталей двигателя.

УОЗ существенно влияет на токсичность ОГ (см. п. 6.1.3).

Величина (р₀.₃.от зависит от режима работы двигателя. С уве­личением п возрастает длительность начальной фазы сгорания, выраженная в градусах ПКВ. Для сохранения оптимального положения второй фазы сгорания относительно ВМТ необходи­мо увеличить УОЗ.

Снижение нагрузки двигателя ухудшает условия воспламене­ния смеси из-за уменьшения давления в цилиндре в конце сжатия, увеличения относительного содержания ОГ в рабочей смеси, уменьшения энергии искрового разряда, снижения турбулизации заряда. Все это также увеличивает длительность начальной фазы сгорания и требует увеличения УОЗ.

Иногда искусственно уменьшают УОЗ, делая его меньше (Po.-i.om с целью уменьшения содержания NO, в ОГ или для подав­ления детонации.

2. РЕГУЛИРОВОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИЗЕЛЯ ПО УГЛУ ОПЕРЕЖЕНИЯ ВПРЫСКИВАНИЯ

Регулировочной характеристикой дизеля по углу опережения впрыскивания (УОВ) называется зависимость основных показа­телей дизеля от величины УОВ ((р_олп) при постоянной частоте вращения коленчатого вала (n=const) и постоянной цикловой подаче топлива ((?„,=const). Эти условия предопределяют посто­янство 7/„ и а.

Эта характеристика используется для нахождения оптималь­ных значений УОВ на различных скоростных и нагрузочных режимах работы дизеля.

В целом характеристика по УОВ дизеля аналогична харак­теристике по УОЗ двигателя с искровым зажиганием. Вследствие постоянства расхода топлива зависимости р_е и g_e от (р_ош имеют обратный характер (рис. 7.7); максимум р_е и минимум g_e достига­ются при одном и том же значении (р₀._т._01П, которое называется

312

оптимальным. Впрыски- вание считается поздним,

бСЛИ (ро.вп ^ CP0.va.mn9 И J)CIH~

HUM, еСЛИ ^о.8п^^о.бп.опт*

При раннем начале впрыскивания увеличива- ются период задержки во- спламенения и количество теплоты, выделяющейся в фазе быстрого сгорания, поэтому возрастают р. и

Ар/Дфша*.

Возрастание УОВ приводит к увеличению содержания оксида азота в ОГ при одновременном уменьшении содержания сажи.

В дизелях обычно ус- танавливают (р_{о т} неско- лько меньше <р₀._вп.от- При незначительном увеличе- нии g_e это приводит к уме- нынению тепловых и ме- ханических нагрузок и к снижению содержания ок- сидов азота.

3. НАГРУЗОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Нагрузочная характеристика (НХ) представляет собой зави­симость основных показателей двигателя от одного из парамет­ров, характеризующих его нагрузку (N_e, М_х, р_й). Их определяют при постоянной частоте вращения.

Работа на режимах НХ наиболее характерна для двигателей, которые используются для привода электрических генераторов, насосов, компрессоров, тракторов. В частности, НХ имитирует работу двигателя на автомобиле при движении последнего с по­стоянной скоростью на одной из передач в условиях переменного дорожного сопротивления.

Основными показателями двигателя по НХ являются G_T и g_e. В зависимости от целей испытаний в качестве показателей также используются концентрации токсичных веществ в ОГ, показатели дымности ОГ (для дизелей), показатели наполнения двигателя (rjy, G_B, Ар*), коэффициент избытка воздуха, УОЗ для двигателей с искровым зажиганием или УОВ для дизелей, температура ОГ (t_r) и т. д.

(AL)

I &<Р /та»

МПа/градШ

1,0 0,8 0,6 ОЛ

15 11 19 21 25 во.Вп,

град пкв до вмт

Рис. 7.7. Регулировочная характеристика ди­зеля по УОВ

313

При снятии НХ дви- гатель оборудуют штат- ными системами топли- воподачи и зажигания.

Крайняя правая точ- ка НХ (N_erwx) соответст- вует максимальной наг- рузке, которую двига- тель может преодолеть при данной частоте вра- щения (двигатели с иск- ровым зажиганием), или ее значению при положе- нии регулирующего ор- гана на упоре (дизели).

НХ могут быть по- строены и по результа- там регулировочных ис- пытаний. Такие НХ, как уже отмечалось, называ- ются характеристиками оптимального регулиро- вания (ХОР).

Сравнение реальных НХ с нагрузочными ХОР позволяет оценить пра- вильность выбора регу- лировок систем топли- воподачи и зажигания двигателя.

На НХ выделяют следующие характерные точки: ф минимальный удельный расход топлива g_emin и значение нагрузки, а также а, которые ему соответствуют;

• часовой расход топлива (С_1ПШ) и а на режиме iV_emM;

• часовой расход топлива и а на режиме холостого хода

(Gx.«).

Рис. 7.8. Нагрузочная характеристика карбю­раторного двигателя: в=9; я—2000 мин^-1; /К*=1,5 л

1. НАГРУЗОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

В двигателях с искровым зажиганием изменение мощности достигается в основном за счет изменения количества горючей смеси (изменением положения ДЗ), поступающей в цилиндры.

Состав смеси на режимах НХ теоретически должен оставать­ся экономическим (а=а_эж) при каждом значении N_e. Исключение составляет режим полной нагрузки, когда возможности количест­

314

венного регулирования бу- дут исчерпаны и обеспече- ние N_t = N_eша* ВОЗМОЖНО то- лько при обогащении смеси до мощностного состава.

Совместное изменение наполнения цилиндров и обеспечиваемых штатными системами реальных значе- ний а и <р₀.₃ оказывает сло- жное воздействие на рабо- чий процесс и показатели двигателя (рис. 7.8). Харак- тер изменения основных показателей двигателя оп- ределяется совместным влиянием изменения >/, и г\_м (рис. 7.9). Величина rfr по НХ определяется составом смеси, rj_v и значением УОЗ, а величина rj_H практически зависит только от нагрузки двигателя.

При полном открытии

ДЗ из-за химической неполноты сгорания (а < 1) уменьшает- ся r/i и увеличивается g_e, несмотря на максимальное значение tj_u (рис. 7.9).

Прикрытие ДЗ переводит работу системы топливоподачи на обеспечение близкого к экономичному состава смеси (а= 1,1... 1,2), что повышает ??,. Минимальный удельный эффек­тивный расход топлива определяется максимальной величиной произведения и соответствует, как правило, значению

Л'_е=(0,8...0,9)Л^г_етм (см. рис. 7.8 и 7.9).

Однако прикрытие ДЗ приводит к ухудшению условий восп­ламенения и сгорания горючей смеси. В результате этого а необ­ходимо несколько уменьшить, что особенно важно на режимах малых нагрузок и холостого хода, где для обеспечения хорошей экономичности необходимо обогатить смесь до а = 0,90...0,95 (см. рис. 7.8). По этой же причине необходимо увеличивать УОЗ, чтобы компенсировать увеличение длительности первой фазы сгорания.

Ухудшение условий сгорания и обогащение смеси по мере прикрытия ДЗ приводят к некоторому уменьшению >7, (рис. 7.9), что увеличивает g_e. Но более сильное влияние на зависимость g_e=j{N_с) оказывает изменение ц_м. Мощность механических по­терь незначительно изменяется с уменьшением N_c. Но вследствие

Не, %

Рис. 7.9. Изменение показателей карбюра­торного двигателя по нагрузочной характе­ристике: л=2000 мин^-1; г=7,0; iT/*=6,0 л

315

уменьшения индикаторной мощности tj_M быстро снижается, дос­тигая нулевого значения на режиме холостого хода (рис. 7.9). Это приводит к интенсивному увеличению g_t с уменьшением нагруз­ки, так как все большая часть теплоты расходуется не на полез­ную работу, а на преодоление механических потерь. Это указыва­ет на нецелесообразность использования двигателя на режимах очень малых нагрузок.

Содержание токсичных компонентов ОГ по НХ определяется совместным влиянием а, г\, и УОЗ.

2. НАГРУЗОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИЗЕЛЯ

При снятии нагрузочной характеристики снижение нагрузки достигается уменьшением цикловой подачи топлива путем пере­мещения рейки топливного насоса.

В дизеле без наддува (рис. 7.10, а) увеличение а при снижении нагрузки вызвано снижением часового расхода топлива G_T, в то время как часовой расход воздуха G_B несколько увеличивается (см. п. 3.1.7). Температура отработавших газов Т, снижается из-за

Ряс. 7.10. Нагрузочные характеристики дизеля: а-без наддува; 6-е турбонаддувом и охлаждением воздуха

316

уменьшения количества теплоты, выделяющейся при сгорании. Увеличение а приводит к снижению дымности отработавших га­зов D_x, а также уменьшению g, в результате увеличения Однако на очень малых нагрузках величина & может увеличиваться из-за ухудшения качества процессов впрыскивания и распиливания топлива. Удельный эффективный расход топлива обычно до­стигает минимума при 70...80%-ной нагрузке. При полной наг­рузке g_c возрастает из-за уменьшения а и ?/,, а на малых нагруз­ках — увеличивается в связи с уменьшением tj_M.

У дизеля с турбонаддувом (рис. 7.10, б) при снижении нагруз­ки в связи с падением температуры ОГ перед турбиной Т_т умень­шается располагаемая работа газа, что приводит к снижению частоты вращения турбины и компрессора. В результате снижа­ются параметры наддувочного воздуха: давление р_х, температура Т_х и расход воздуха G_B. Это, в свою очередь, приводит к уменьше­нию расхода газа через турбину и противодавления газа перед турбиной р₇ и, как следствие, дополнительному уменьшению частоты вращения турбины и компрессора. Процесс продолжает­ся до тех пор, пока не установится новый режим совместной работы дизеля с ТК, что обычно продолжается несколько секунд.

При уменьшении нагрузки у дизеля с турбонадцувом а уве­личивается более плавно, поскольку уменьшается расход воздуха. Такой характер изменения а вызывает более плавное снижение Т₇. В результате снижения р_х и Т_х коэффициент наполнения уменьшается. При снижении нагрузки падает КПД ТК, что объ­ясняется отклонением режима его работы от расчетного. Это вызывает более значительное падение давления наддува р_х, чем противодавления перед турбиной p_lt что приводит к дополни­тельному увеличению g_e на малых нагрузках из-за увеличения затраты работы на газообмен. Поэтому целесообразно использо­вать регулирование турбонаддува на малых нагрузках.

Поскольку при увеличении нагрузки повышаются дымность ОГ И тепловая напряженность деталей, предел форсирования дизеля по нагрузке определяется той из этих двух величин, кото­рая первой приблизится к критическому уровню. Дизели с турбо­наддувом (по сравнению с безнаддувными) при средних и высо­ких частотах вращения имеют большие значения а, поэтому для них предел форсирования обычно определяется тепловой напря­женностью деталей в цилиндре и колеса турбины ТК.

3. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Скоростной характеристикой называется зависимость основ­ных показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при неизменном положении органа управления двигателем.

Из всего множества скоростных характеристик наибольшее

317

практическое значение имеет внешняя скоростная характеристи­ка (ВСХ). ВСХ определяется при полном открытии дроссельной заслонки двигателя с искровым зажиганием или при положении органа управления подачей топлива, которое обеспечивает полу­чение номинальной мощности дизеля.

Скоростные характеристики, снятые при промежуточном положении органа управления двигателем, называются частич­ными.

Режимы ВСХ имитируют работу двигателя на автомобиле при движении последнего в условиях переменного дорожного сопротивления, но при постоянном и предельном положении органа управления двигателем. Чаще всего режимы ВСХ имеют место при разгоне автомобиля, осуществляемом полным откры­тием ДЗ (двигатели с искровым зажиганием) или предельным натяжением главной пружины регулятора (дизели).

Изменение скоростного режима двигателя при снятии скоро­стных характеристик обеспечивается изменением внешней нагруз­ки с помощью тормозного устройства. Если двигатель не обору­дован ограничителем или регулятором частоты вращения или они отключены, то ВСХ снимается в диапазоне от до 1,1h„_om.

ВСХ представляет собой верхнюю границу поля эксплуата­ционных режимов работы двигателя. На режимах ВСХ двигатель испытывает максимальные тепловые и механические нагрузки и выделяет большое количество токсичных веществ с ОГ.

ВСХ является основной паспортной характеристикой двига­теля, на основании которой оценивают его главные технические показатели.

В зависимости от укомплектованности двигателя устройст­вами и оборудованием согласно стандарту определяют мощ­ность нетто и мощность брутто. В первом случае двигатель дол­жен быть укомплектован серийным оборудованием (вентилятор, генератор, воздухоочиститель, глушитель и др.), перечень кото­рого определяется стандартом, а регулировки должны соответст­вовать техническим условиям. Отключаются лишь вспомогатель­ные системы, потребляющие мощность, но не обслуживающие двигатель (компрессор тормозной системы, насос гидроусили­теля рулевого управления, компрессор кондиционера и т. д.).

При определении мощности брутто допускается отключать или снимать некоторые устройства, обслуживающие двигатель, а также использовать оптимальные (а не штатные) регулировки отдельных его систем. Поэтому мощность брутто больше мощ­ности нетто.

Условия окружающей среды (давление, температура, влаж­ность) сложным образом влияют на работу двигателя и его показатели. Чтобы сопоставить результаты испытаний, получен­ные при разных атмосферных условиях, мощностные показатели

318

двигателя по ВСХ приводят к стандартным атмосферным усло­виям: атмосферное давление #„=100 кПа (750 мм рт. ст.), тем­пература воздуха Т₀=298 К, парциальное давление сухого воз­духа р,=99 кПа, температура топлива (для дизелей) Т_т=298 К.

Приведенные значения N_e0, М^, р_л получаются умножением полученных при испытаниях значений N„ М_Т и р_е на поправочный коэффициент, зависящий от давления и температуры окружа­ющей среды, от влажности воздуха и типа двигателя (двигатель с искровым зажиганием или дизель).

1. СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

ВСХ снимается при штатной регулировке системы то­пливоподачи, которая на большинстве скоростных режимов

Рис. 7.11. Внешняя скоростная характеристика кар­бюраторного двигателя легкового автомобиля: iV_h=1,5 л

319

обеспечивает состав смеси, близкий к мощностному (рис. 7.11 и 7.12).

Штатные регулировки системы зажигания обеспечивают (Ра.з ~ (Ро.з.опт или на средних и малых частотах вращения <р₀,, ограниченный появлением детонации.

С увеличением и происходит уменьшение относительных потерь теплоты в стенки цилиндров, улучшается качество смесе­образования и сокращается длительность второй фазы сгорания в единицах времени (но практически сохраняется ее длительность в градусах ПКВ). Это приводит к увеличению »}, с ростом частоты вращения (рис. 7.12) и дальнейшей его стабилизации; последнему способствует некоторое возрастание фазы догорания, увеличива­ющее тепловые потери в стенки. Аналогичным образом изменя­ется отношение rjj/a (рис. 7.12). Таким образом, качество рабочего процесса двигателя с искровым зажиганием не лимитирует воз­можность его форсирования по скоростному режиму.

Рис. 7.12. Изменение основных показателей ра­бочего процесса по ВСХ карбюраторного двига­теля грузового автомобиля: j'F]h=6,0 л

320

Характер изменения г}„ в зависимости от частоты вращения неоднозначен для различных двигателей, хотя имеют место неко­торые общие закономерности (см. п. 3.1.7).

Для двигателей легковых автомобилей максимальные значе­ния у, в зоне высоких частот вращения (см. рис. 7.11) обеспечи­вают высокую номинальную мощность двигателя, что в конеч­ном счете определяет высокую скорость и хорошую динамику разгона автомобиля. Для двигателей грузовых автомо­билей максимальное значение г/, в зоне низких и средних частот вращения (рис. 7.12) обеспечивает хорошие тяговые свойства автомобиля.

Совместное влияние а и определяет соответствующий характер изменения p_t(n) (рис. 7.12): его уменьшение при малых частотах вращения связано с уменьшением tjt и tf_v, а при высоких

• только с уменьшением t]_v.

Среднее давление механических потерь возрастает с увеличе­нием п по закону, близкому к линейному (рис. 7.12), что в сочета­нии с характером изменения pi(n) приводит к монотонному снижению г]_ы с ростом п.

Снижение р_е при малых п определяется теми же факторами, что и снижение p_t (т. е. ij, и jj„), а при п>п_мтл вызывается снижением rj_t и ц_м. Как правило, для карбюраторных двигателей ^гам*тах⁼(0>55.,.0,70)и_н, а коэффициент приспособляемости АТ_М =

• лежит в пределах 1,10...1,30.

Увеличение N_e с увеличением п продолжается до тех пор, пока рост частоты циклов, пропорциональный п, преобладает над снижением р_е (см. рис. 7.11). Когда эти два фактора компен­сируют друг друга, то достигается максимальная мощность дви­гателя Д._т„. Обычно ллг_ешм>и_я.

При п > Пм_етях происходит резкое снижение N„ что связано с соответствующим возрастанием р_м и снижением rj_v. При р₍=р„ двигатель выходит на режим холостого хода при полностью открытой ДЗ, достигая максимальной частоты вращения (п_р), которая на 30...50% превосходит номинальную. При этом суще­ственного изменения состава смеси и, следовательно, процесса не происходит. Для двигателей легковых автомобилей кратковре­менный выход на этот режим опасности не представляет.

Для двигателей грузовых автомобилей, имеющих сравните­льно большие возвратно-поступательно движущиеся массы и, следовательно, высокие значения сил инерции, нагружающих де­тали двигателя, максимальная частота вращения может оказать­ся опасной с точки зрения надежности. Поэтому такие двигатели снабжаются ограничителями частоты вращения (см. п. 5.1.1), уменьшающими подачу топливовоздушной смеси при п>п_к.

На графики ВСХ (см. рис. 7.11) наносят также приведенные

321

к стандартным условиям значения крутящего момента и мощ- ности, а также кривые часового расхода топлива.

Изменение удельного расхода топлива по ВСХ определяется произведением Увеличение g_B при низких значениях п связа- но с уменьшением rj_h а при высоких — с уменьшением rj_M. При

и=Пр^_е= оо-

Температура ОГ по ВСХ увеличивается с увеличением п, что связано с уменьшением теплоотдачи в стенки цилиндра при сгорании и расширении вследствие уменьшения длительности

цикла и повышения темпера- туры некоторых деталей двигателя, а также из-за уве-

личения фазы догорания то- плива.

Содержание токсичных веществ в ОГ по ВСХ опре- деляется совместным влия- нием а, ф_{0 3} и условий смесе- образования и сгорания (см. п. 6.1.3).

Частичные скоростные характеристики (рис. 7.13) снимают при постоянных промежуточных положениях ДЗ. Прикрытие ДЗ приводит к более резкому снижению г)у с увеличением п, что вызывает соответствующее снижение р₍. Последнее явля- ется причиной значительно- го снижения т]_м, прямо влия- ющего на величину р_е. Чем сильнее прикрыта ДЗ, тем круче зависимости р_е(п), М_х(п), N_e(n). При этом их ма- ксимальные значения сдви- гаются в область меньших частот вращения.

При незначительном прикрытии ДЗ, когда сниже- ние rjy невелико, возможно улучшение экономичности

Рис. 7.13. Внешняя и частичные скоро- двигателя (уменьшение gemin)

стные характеристики карбюраторного при работе по частичной

^двигат^/^⁸ i$^:_0/ скоростной характеристике

-'^=^_50%, .V. ‘ Л**" «ч ' по сравнению с работой по

322