Вопрос 1. Приведите скоростные характеристики карбюраторного и дизельного двигателей. Укажите их отличия.

Энергетические и экономические показатели двигателя при различных режимах работы (частое вращение коленчатого вала и нагрузке) оценивают по его характеристикам: регулировочным, скоростной и нагрузочной. Скоростная характеристика показывает зависимость энергетических и экономических показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при постоянном положении дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, то есть представляет собой графическое изображение зависимостей Ne=f(n), Mk=f(n), G_T=f(n), g_e=f(n). Скоростная характеристика, снятая при полностью открытой дроссельной заслонке (полной подаче топлива) называется внешней.

Скоростные характеристики снимают, постепенно увеличивая нагрузку (тормозя двигатель). Частота вращения коленчатого вала снижается до значения n_min, при котором ещё возможна устойчивая работа двигателя. Для каждого скоростного режима (опыта) устанавливается наивыгоднейший угол опережения зажигания и начала подачи топлива.

Скоростную характеристику с регуляторной ветвью (регуляторную характеристику) снимают при положении органов управления регулятором скорости, соответствующим полной подаче топлива. Она показывает зависимость расхода топлива, крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала от мощности двигателя.

На внешней скоростной характеристике карбюраторного двигателя отмечены следующие точки: А – максимальная мощность двигателя Ne_max, при этом частота вращения коленчатого вала n₂; Б - мощность, при которой крутящий момент максимален Мк_max, а частота вращения коленчатого вала n₂; В – мощность, соответствующая минимальному удельному расходу топлива ge_min; а – крутящий момент МкN на режиме максимальной мощности; Г – номинальная мощность Neн; б – крутящий момент на режиме номинальной мощности; nн – частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности.

Бензиновый Дизель

На внешней скоростной характеристике дизеля выделяются точки: А – мощность при номинальном удельном расходе топлива и Б - мощность, соответствующая началу работы дизеля с дымлением. Длительная работа дизеля с дымлением недопустима.

У дизелей зависимость Мк=f(n) более пологая, чем у карбюраторных двигателей, что объясняется конструктивными особенностями топливных насосов. Для устранения этого недостатка регуляторы топливных насосов имеют корректоры, которые увеличивают подачу топлива за цикл на режимах перегрузки, улучшая характеристику крутящего момента. Однако для карбюраторных двигателей более выраженный рост момента свидетельствует о лучшей динамике разгона.

С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем снижается. Это происходит вследствие возрастающих инерционных сил, силы трения, аэродинамического сопротивления во впускных трубопроводах, ухудшающих наполнение цилиндров свежим зарядом. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше двигатель приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется, и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению - сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль.

Вопрос 2. Приведите индикаторную диаграмму дизельного двигателя. Поясните рабочий цикл дизельного двигателя.

Процессы, происходящие в цилиндрах поршневого двигателя, могут быть изображены в виде индикаторной диаграммы, снимаемой с двигателя прибором - индикатором. Индикаторная диаграмма - это графическое отображение изменения давления газа в цилиндре поршневого двигателя в зависимости от перемещения поршня или угла поворота кривошипа. Если индикатор вычерчивает кривую линию, которая показывает, как изменяется давление в цилиндре в зависимости от угла поворота кривошипа, то такая диаграмма называется развернутой. На свернутой индикаторной диаграмме изменение давления дано в зависимости от положения поршня.

Рабочий цикл дизеля называется циклом со смешанным сгоранием (линия 3—А—4), так как на линии 3-А имеет место изохорическое  сгорание, а на линии А-4 — изобарическое. При этом только во время одного процесса «А—Б» совершается полезная работа. Остальные процессы являются вспомогательными, и на их выполнение затрачивается часть полезной работы, создаваемой в соседних цилиндрах.

Участок 3-А соответствует горению топлива при постоянном объеме. Такой процесс, называемый изохорным, возможен только при очень быстром сгорании топлива. Однако часть топлива сгорает не при постоянном объеме, а за время перемещения поршня на некоторую величину.

Рис. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя внутреннего сгорания.

А-1 – процесс всасывания чистого воздуха из атмосферы в цилиндр двигателя;

1–2 – процесс сжатия воздуха; в точке 2 – впрыск дизельного топлива в цилиндр;

2–3 – горение топлива; 3 – 4 –процесс политропического расширения;

т. 4 – открытие выхлопного клапана; 4 – 1 – выхлоп дымовых газов в атмосферу.

В этот период постепенного (а не мгновенного!) сгорания топлива давление газов в цилиндре не повышается, а остается постоянным, так как при перемещении поршня одновременно увеличивается объем газов в цилиндре.

За первые 180° поворота кривошипа ( = 0... 180°) реализуется такт впуска. Гидравлические потери во впускной системе дизеля меньше, чем в карбюраторном двигателе (нет диффузора карбюратора и дроссельной заслонки), и они не изменяются при изменении нагрузки на двигатель; 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 точке А в дизеле больше, чем в карбюраторном.

Температура в дизеле ниже, чем в карбюраторных ДВС (Т_а= 310...350 К): при больших степенях сжатия к свежему заряду подмешивается относительно меньшее количество отработавших газов, имеющих более низкую температуру.

Особенностью такта сжатия в дизеле ( = 180...360°) являются более высокие температура и давление рабочего тела в точке с: р_с=3,5...6,0 МПа, Т_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.

Если в карбюраторном двигателе после подачи искры процесс сгорания происходит в условиях заранее подготовленной однородной рабочей смеси, то в дизеле ее подготовка происходит за короткий интервал времени, предшествующий сгоранию 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 ВМТ при заметном увеличении объема надпоршневого пространства.

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

Расчетные параметры рабочего тела в конце такта расширения (точка b) p_b=0,2...0,4 МПа и T_b= 1000...1200 К ниже, чем в карбюраторном двигателе из-за более высокой степени сжатия и соответственно большей степени расширения продуктов сгорания.

Такт выпуска ( =540...720°) каких-либо принципиальных особенностей не имеет. Давление в точке r (конец такта выпуска), как и в случае карбюраторного двигателя, определяется вели­чиной гидравлических потерь в выпускной системе р_r =(1,05...1,2)p₀, а температура ниже, чем в карбюраторном двигателе, T_r=700...900 К, что объясняется более низкой температурой в конце такта расширения T_b.