Лекция 1.5. Основные характеристики автомобильных и тракторных двигателей

1.5.1. Особенности работы двигателей на автомобилях и тракторах. Выбор типа двигателя

Тяговые и энергетические показатели автомобиля и трактора изначально определяются характеристикой его энергетической установки.

Особенность работы автомобиля и трактора состоит в том, что нагрузка на двигатель изменяется в широких пределах. При переходе двигателя с одного нагрузочного (по моменту) режима на другой его мощность должна сохраняться постоянной или меняться незначительно. Это обеспечит двигателю полную (по мощности) загрузку при работе на любом скоростном и нагрузочном режиме, т.е. максимальное использование его возможностей, а машине – высокую производительность и топливную экономичность.

Из теории двигателя известно, что существуют двух- и четырёхтактные двигатели. Основными достоинствами двухтактных двигателей являются:

- при равных условиях имеют большую мощность, т.к. рабочий ход поршня приходится на 1 оборот коленчатого вала, тогда как у четырёхтактных двигателей на два;

- при равной мощности двухтактные двигатели имеют меньший вес и меньшие габариты;

- коленчатые валы вращаются более равномерно, т.к. чередование рабочих ходов чаще.

В тоже время двухтактные двигатели обладают и определёнными недостатками такими как:

- из-за высокой литровой и удельной мощности и большой компактности тепловая и динамическая напряжённость выше;

- при продувке теряется часть заряда у карбюраторных двигателей и воздуха у дизелей и, следовательно, та энергия, которая ушла на его предварительное сжатие безвозвратно теряется, в связи с этим очень низкая экономичность.

В качестве автомобильных и тракторных двигателей наряду с бензиновыми широко применяют и дизели (особенно на грузовых автомобилях и больших автобусах). Основными достоинствами дизелей являются:

- высокая степень сжатия обеспечивает протекание рабочего процесса при более высоких параметрах, поэтому полезная работа при равном количестве подведённого тепла у дизеля больше, т.е. лучшая экономичность;

- способность двигателя быть всеядным, работать и на лёгких и на тяжёлых сортах топлива и на их смесях;

- менее опасны в пожарном отношении.

Тем не менее, и дизели имеют существенные недостатки такие как:

- большие значения удельного и литрового веса и большие габариты, что объясняется большими нагрузками, действующими на детали двигателя;

- меньшие значения литровой и удельной мощности потому, что в карбюраторных двигателях более эффективно используется рабочий объём цилиндров т.к. они работают в отличие от дизелей без избытка воздуха;

- детали дизелей приходится изготовлять весьма точно из-за высоких нагрузок на них;

- запуск дизеля осуществляется труднее, особенно в зимнее время.

Выбор типа двигателя для установки его на колёсную или гусеничную машину осуществляется исходя из условий её эксплуатации. Так, например, для установки двигателя на трактор, который эксплуатируется на сельскохозяйственных работах, целесообразно использовать четырёхтактный дизель, обладающий таким существенным преимуществом как высокая экономичность.

1.5.2. Скоростная и регуляторные характеристики дизеля

При изменении частоты вращения вала дизеля и постоянном положении регулирующей рейки топливного насоса величина крутящего момента двигателя не остаётся постоянной вследствие изменения условий сгорания топлива (при увеличении частоты вращения вала двигателя из-за уменьшения время-сечения распределительных органов менее интенсивно заполняются цилиндры воздухом). На рис.7 представлена внешняя скоростная характеристика дизеля.

Зависимость используется для построения кривой мощности двигателя, т.к. скоростные характеристики определяются при помощи тормозных испытаний, во время которых измеряют частоту вращения вала двигателя и величину крутящего момента .

Дизели снабжаются регулятором частоты вращения вала двигателя. Мощность и момент этих двигателей определяют по скоростной характеристике только до момента начала действия регулятора при некоторой частоте вращения вала двигателя (угловой скорости) называемой номинальной угловой скоростью.

Мощность двигателя, соответствующая номинальной угловой скорости и максимальной подаче топлива называется номинальной и обозначается , соответственно крутящий момент в этой точке называется номинальным крутящим моментом и обозначается .

Крутящий момент, соответствующий угловой скорости называется максимальным моментом двигателя и обозначается .

При увеличении угловой скорости выше номинальной регулятор уменьшает подачу топлива в цилиндры двигателя, вследствие чего и момент двигателя и мощность его снижаются до нуля при угловой скорости соответствующей холостому ходу двигателя, т.е. работающему без нагрузки.

На внешней скоростной характеристике дизеля его работа с регулятором показана линией , зависящей от динамических свойств регулятора и его механизма. Эта линия называется скоростная характеристика с регуляторной ветвью или сокращённо регуляторной характеристикой дизеля.

Рис.8. Регуляторные характеристики дизеля: а – в функции от мощности двигателя; б – в функции от момента двигателя.

Номинальную угловую скорость, при которой вступает в работу регулятор, необходимо выбирать после всестороннего экспериментального изучения работы двигателя на различных режимах. Увеличение ведёт к росту номинальной мощности дизеля, но понижается надёжность его работы.

Регуляторные характеристики, построенные в функции от частоты вращения, неудобны для пользования, поскольку регуляторные ветви кривых расположены у них на очень малом отрезке оси абсцисс, что затрудняет анализ загрузки двигателя и его экономичности на основных рабочих режимах. Поэтому регуляторные характеристики дизелей строятся преимущественно в функции от мощности или при выполнении тяговых расчётов в функции от момента двигателя . Указанные регуляторные характеристики приведены на рисунках 8а и 8б.

Рис.9. Частичные регуляторные характеристики в функции от мощности

В некоторых случаях дизель не может быть загружен с достаточной полнотой при работе на номинальном режиме. Чтобы двигатель работал экономично, понижают частоту вращения вала двигателя, при которой вступает в работу всережимный регулятора частоты вращения. Регуляторные характеристики дизеля в этом случае выглядят, как показано на рисунке 9 и называются частичными регуляторными характеристиками.

1.5.3. Скоростная характеристика карбюраторного двигателя

Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива, называется внешней скоростной характеристикой, а полученные при неполной подаче топлива – частичными. Также как и у дизелей, скоростные характеристики определяют на специальных тормозных стендах. При этом обычно непосредственно находят зависимости момента двигателя от частоты его вращения, а мощность определяют расчётом по известной формуле. Частичные характеристики у карбюраторных двигателей соответствуют открытию дроссельной заслонки на определённый угол. При неизменном проходном сечении дросселя и изменении нагрузки на карбюраторный двигатель зависимость момента двигателя от частоты вращения его подобна зависимости, полученной при максимальном проходном сечении дросселя.

На рисунке 10 показана типовая внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя.

Важнейшими параметрами внешней скоростной характеристики двигателя являются: - максимальная мощность двигателя; - максимальный крутящий момент; - крутящий момент при максимальной мощности; - максимальная частота вращения коленчатого вала двигателя; - частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности; - частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте; - минимальная частота вращения коленчатого вала двигателя.

У карбюраторных двигателей, имеющих ограничитель частоты вращения, максимальная частота вращения коленчатого вала может быть как больше , так и меньше в зависимости от того, с какой целью устанавливается этот ограничитель.

Автомобильный карбюраторный двигатель в условиях эксплуатации работает в основном в интервале угловых скоростей от до , хотя может быть и иначе в зависимости от настройки ограничителя частоты вращения.

1.5.4. Коэффициент запаса крутящего момента и коэффициент приспособляемости двигателя

Возможность преодоления временного повышения сопротивлений автотракторного агрегата характеризуется коэффициентом запаса крутящего момента двигателя, определяемым по формуле:

,

где - максимальный момент двигателя;

- номинальный момент двигателя,

или коэффициентом приспособляемости двигателя , который определяется отношением максимального крутящего момента двигателя к номинальному моменту , и варьируется в пределах от 1,05 до 1,15 для дизеля и от 1.1 до 1,2 и выше для карбюраторных двигателей.

Кроме того временное увеличение сопротивлений движению может вызвать перегрузку двигателя. Эта перегрузка преодолевается путём усиленной подачи топлива, реализуемой соответствующим перемещением рейки топливного насоса в дизелях. Усиленная подача топлива при снижении угловой скорости коленчатого вала вызывает соответствующее повышение величин крутящего момента и мощности дизеля. Увеличение крутящего момента обеспечивает устойчивость работы двигателя при временном повышении сопротивления движению, т.к. увеличивается максимальный момент, а, следовательно, растёт коэффициент приспособляемости и коэффициент запаса крутящего момента двигателя.

1.5.5. Двигатели постоянной мощности

Как было рассмотрено ранее, мощность двигателя равна произведению момента двигателя на угловую скорость коленчатого вала и, следовательно, характеристика идеального двигателя аналитически может быть выражена зависимостью

.

Таким образом, в идеальном случае двигатель должен обладать свойством автоматического изменения развиваемого крутящего момента в соответствии с колебаниями момента сопротивления. При повышении нагрузки должны увеличиться момент двигателя и снизиться угловая скорость коленчатого вала двигателя. При снижении нагрузки режим работы двигателя должен автоматически измениться в обратном порядке.

Такая характеристика двигателя графически представлена на рисунке 11. Она позволяет обойтись без коробки передач, если полный диапазон сопротивления движению перекрывается диапазоном крутящего момента двигателя в пределах его характеристики.

При работе с небольшой нагрузкой уменьшение мощности и момента двигателя может быть достигнуто за счёт снижения подачи топлива. Тогда двигатель будет работать на частичном нагрузочном режиме.

Характеристикой постоянной мощности обладают паровые машины и электродвигатели. Паровую машину не применяют в качестве тракторного и автомобильного двигателей из-за низкого к.п.д., высокой материалоёмкости и больших размеров. Электродвигатели устанавливают на очень мощных автомобилях, однако ввиду автономности энергетических установок тракторов и автомобилей электродвигатель в них служит не источником энергии, а элементом трансмиссии. Поэтому из-за низкого к.п.д., больших габаритных размеров и масс, а также использования цветных и других электроматериалов электродвигатели на автомобилях и тракторах применяются крайне редко.

Характеристику, соответствующую требованиям, предъявляемым к тракторным энергетическим установкам, имеет газотурбинный двигатель. Он устойчиво работает во всём диапазоне частоты вращения вала турбины, включая полное торможение, обладает высокой долговечностью.

Следует отметить также, что габаритные размеры и масса двигателя меньше, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако их не применяют на тракторах и автомобилях из-за следующих недостатков: низкая топливная экономичность; высокая частота вращения вала двигателя, а также дорогие материалы двигателя.

Предельные возможности двигателя по рабочему процессу позволяют повысить запас крутящего момента за счёт применения газотурбинного наддува на 30…40% при таком же снижении частоты вращения вала двигателя. Это вполне достаточно. Двигатели с такой характеристикой также называют двигателями постоянной мощности. Трактор с таким двигателем может работать при максимальной мощности без переключения передач в диапазоне тяговых нагрузок, соответствующем и , т.е. в 2…3 раза больше общепринятого перепада между передачами, составляющего обычно 12…15%. Корректорному участку характеристики - (см. рис.7) соответствует также наиболее низкий удельный расход топлива , поэтому работа двигателя в таком режиме отличается большой топливной экономичностью, чем работа на участке регуляторной ветви характеристики.

В процессе испытаний трактора с двигателем постоянной мощности, проведенных Государственным научно-исследовательским тракторным институтом (НАТИ), выявлены следующие преимущества: производительность выше на 6…8%: погектарный расход топлива ниже на 6…8%; число ступеней в коробке передач может быть в 2 раза меньше.