книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

впрыска и т. д.. называют регулировочными характеристиками.

Эти характеристики необходимы для выявления наивыгоднейших условий работы двигателя в зависимости от указанных факторов и оценки качества его регулировки.

Регулировочные характеристики снимают при полной и час­ тичной нагрузках. Наиболее часто снимают регулировочные харак­ теристики по расходу топлива, показывающие изменение мощности Nс и удельного эффективного расхода топлива ge от часового рас­ хода GT при постоянной угловой скорости коленчатого вала и оптимальном угле опережения зажигания

На рис. 24 показана регу-

Рис. 25. Регулировочная харак­ теристика карбюраторного двига­ теля гю углу опережения зажи­ гания 0 (сое = 210 рад,с)

Она имеет две характерные точки: одна из них соответствует максимальной мощности, а другая — минимальному удельному расходу .топлива.

Двигатель развивает максимальную мощность при часовом расходе топлива, соответствующем несколько обогащенной смеси (а = 0,8 -т- 0,9), так как скорость сгорания в этом случае увели­ чивается. При обеднении смеси мощность уменьшается из-за снижения скорости сгорания и теплоты сгорания смеси.

Наилучшая топливная экономичность двигателя получается при часовом расходе топлива, соответствующем несколько обед­ ненной регулировке (а = 1,1 -f- 1,2). Дальнейшее обеднение горю­ чей смеси вызывает значительное снижение скорости сгорания, в результате чего работа двигателя становится неустойчивой и со­ провождается резким падением мощности и ухудшением топливной экономичности.

70

Таким образом, область эксплуатационных регулировок кар­ бюратора должна находиться между минимальным расходом топ­ лива и максимальной мощностью двигателя. Следует напомнить также, что работа двигателя за пределами указанных режимов является нежелательной, так как сопровождается одновременным снижением мощности и ухудшением топливной экономичности двигателя.

На практике карбюратор никогда не регулируют на режим максимальной мощности при полностью открытой дроссельной заслонке, а снижают ее на 1—2%, что улучшает топливную эко­ номичность двигателя.

Регулировочная храктернстика по углу опережения зажигания карбюраторного двигателя при угловой скорости со,, = 210 рад/с изображена на рис. 25.

На приведенной характеристике видно, что с увеличением угла опережения зажигания 0 до 25° мощность двигателя увели­ чивается, а удельный расход топлива уменьшается. При дальней­ шем увеличении угла 0 мощность двигателя снижается, а удель­ ный расход топлива увеличи­ вается. Следовательно,. на данном режиме оптимальный угол опережения зажигания равен 25°.

§ 4. ДЕТОНАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Склонность топлива к дето­ нации определяют конструк­ тивные особенности двигате­ ля. Оценку антидетопационных свойств двигателя про­ изводят по детонационным характеристикам.

Детонационной характе­

работы двигателя на границе детонации, от какого либо режимного параметра двигателя.

На рис. 26 показаны детонационные характеристики, т. е. графики зависимости октановых чисел бензина от таких режимных параметров двигателя, как сое, Цу/Цупшх, а и 0. Характеристики построены для одного и того же двигателя.

График зависимости октанового числа топлива ОЧ от угловой скорости коленчатого вала (рис. 26, а) построен для полностью

71

Г л р в а VI

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Дальнейшее развитие и совершенствование конструкций автомо­ бильных двигателей идет в направлении повышения литровой мощности, улучшения топливной экономичности, уменьшения габаритных .размеров, снижения удельной массы и увеличения срока службы.

Наиболее перспективными являются двигатели с наддувом,

а также роторно-поршневые и многотопливиые двигатели.

§ I. АВТОМОБИЛЬНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

В связи с большими преимуществами газовой турбины перед поршневыми двигателями внутреннего сгорания в течение послед­ них двух десятилетий ведутся работы по созданию автомобильных газотурбинных двигателей.

Если в поршневом двигателе потенциальную энергию продуктов сгорания используют для совершения поршнем такта расширения, то в газовой турбине ее преобразуют в кинетическую энергию газового потока, которую воспринимают рабочие лопатки турбины.

Двухвальная газотурбинная установка

Принципиальная схема автомобильной двухвальной газотур­ бинной установки с регенерацией тепла показана на рис. 27. ' Установка работает следующим образом. Воздух, засасываемый из атмосферы через патрубок 3, сжимается в центробежном ком­ прессоре 4 и, проходя через регенератор (теплообменник) 6, по трубопроводу 7 поступает в камеру сгорания 11. Топливный на­ сос 1 по топливопроводу 16 нагнетает топливо к форсунке 10, через которую впрыскивает его в камеру сгорания. Из камеры сгорания 11 продукты сгорания устремляются через направляющие 15 и рабочие 5 лопатки компрессорной турбины 14, а затем через направляющие 13 и рабочие 12 лопатки тяговой турбины 8 в тепло­ обменник 6. Компрессорная турбина приводит в действие компрес­ сор и вспомогательные механизмы (топливный 1 и масляный 2

73

насосы, электрогенератор). Тяговая турбина трансмиссией 9 соединена с ведущими колесами автомобиля. Продукты сгорания проходят через кольцевой канал А и теплообменник 6, в котором отдают часть теплоты воздуху, поступающему по трубопроводу 7 в камеру сгорания 11.

Воздух в компрессоре сжимают до 0,40—0,45 МН/м2, причем окружная скорость лопаток достигает 400—500 м/с, а угловая скорость 3—4 тыс. рад/с.

Неподвижные направляющие лопатки (сопловые аппараты) 13 ц 15 турбин расположены по окружности и образуют между

Рис. 27. Схема автомобильной газотурбинной уста­ новки:

А — канал; 1 — тошшяный насос; 2 — масляный насос; 3 — па­ трубок;, 1 — центробежный компрессор; з — рабочие лопатки

собой каналы, через которые проходят газы со скоростью, дохо­ дящей до 500—700 м/с. Затем газы, ударяясь о рабочие лопатки 5 и 12, заставляют вращаться колеса и валы турбин 8 и 14.

Рассмотренная схема автомобильной газотурбинной установки характерна тем, что топливо и воздух поступают в камеру сгорания непрерывно, а горючая смесь сгорает в открытой камере при посто­ янном давлении.

Для автомобилей обычно используют двухвальные газотурбин­ ные установки, у которых колеса компрессорной и тяговой турбин расположены на отдельных валах. В этом случае колеса турбин могут развивать различные угловые скорости: компрессорная турбина — большую угловую скорость, обеспечивающую высокую производительность центробежного компрессора, а тяговая тур­ бина — небольшую угловую скорость при работе или пуске в ход.

74

В двухвальной устаповке с уменьшением угловой скорости тяговой турбины величина крутящего момента увеличивается и при минимальной угловой скорости в 2—2,5 раза превышает вели­ чину на номинальном режиме. Кроме того, двухвальпая схема обеспечивает лучшую топливную экопомпчность установки по сравнению с одповалыюй при частичных нагрузках.

Автомобильные газотурбинные двигатели по сравнению с порш­ невыми двигателями имеют следующие основные преимущества:

1.Меньшие габаритные размеры и массу.

2.Лучшую уравновешенность.

3.Возможность использования дешевых сортов жидкого топ­

лива.

4.Лучшую тяговую характеристику, так как крутящий момент увеличивается при уменьшении угловой скорости.

5.Легкий пуск при различных температурах и отсутствие системы охлаждения.

Наряду с преимуществами современные автомобильные газо­ турбинные установки имеют и крупные недостатки. Их топливная экономичность как на оптимальном режиме, так и при частич­ ных нагрузках невелика, а эффективный к. п. д. находится в пре­ делах 12—16%.

Основными причинами худшей топливной экономичности этих установок являются пониженная температура газов, поступающих к лопаткам турбин, а также небольшая развиваемая ими эффектив­ ная мощность. Температура рабочих газов перед сопловым аппа­ ратом турбины ограничена качеством жаропрочных сталей, что снижает эффективный к. п. д. газотурбинной установки. Для уменьшения температуры газов необходим большой избыток воз­ духа (а = 3,5 -н 4,5), а следовательно, и значительная производи­ тельность компрессора, в результате чего 60—70% мощности газотурбинной установки расходуется на приведение в действие компрессора. У двухвальной установки мощность компрессорной турбины должна быть в 1,5—2 раза больше мощности тяговой турбины.

Максимальная мощность двигателей грузовых автомобилей не превышает 450 кВт, т. е. для газовой турбины весьма невелика. Поэтому размеры лопаток получаются небольшими, что является причиной относительно больших потерь в проточной части тур­ бины и низких к. п. д. как турбины, так и компрессора.

Улучшение топливной экономичности газотурбинной установки можно обеспечить путем повышения угловой скорости вала тур­ бины, применения регенератора, увеличения степени сжатия воз­ духа в компрессоре и повышения температуры рабочего газа перед сопловым аппаратом.

Фирмой Форд создана автомобильная трехвальная газотур­ бинная установка мощностью 220 кВт, работающая по усложнен­ ному циклу. В установке предусмотрены промежуточное охлаж­ дение воздуха, регенерация тепла и двухступенчатое сгорание.

75

Несмотря на сложность цикла, удельная масса такой установки составляет 1,4 кг/кВт. Удельный расход топлива при температуре газа перед турбиной 1200 К и максимальной мощности составляет 345 г/(кВт-ч). Общая степень повышения давления л^в двух сту­

от угловой скорости и>е%. На приведенном графике видно, что по своим тяговым качествам двухвальная газотурбинная уста­ новка значительно превосходит поршневой двигатель внутреннего сгорания, что является очень важным преимуществом для тран­ спортного сплового агрегата.

§ 2. НАДДУВ ДВИГАТЕЛЕЙ

Для наддува двигателей используют центробежные пли объемные нагнетатели.

Центробежный нагнетатель приводится в действие коленчатым валом двигателя (рпс. 29, а) пли специальной газовой турбиной, в которой используют энергию отработавших газов двигателя (рис. 29, б) В последнем случае топливная экономичность двигателя улучшается в результате использования кинетической энергии отработавших газов.

Нагнетатель с приводом от коленчатого вала работает следую­ щим образом. Атмосферный воздух засасывается в нагнетатель 1 (рис. 29, а), в котором сжимается до необходимого давления. Сжа­ тый воздух при такте впуска поступает по трубопроводу 2 в ци­ линдр двигателя. В этом случае часть мощности, развиваемой двигателем, затрачивается на приведение в действие нагнетателя.

Газотурбинный нагнетатель работает несколько иначе. Отрабо­ тавшие газы-двигателя по трубопроводу 4 (рис. 29, б) поступают через сопловый аппарат 5 к лопаткам 8 газовой турбины и совер­

76

шают полезную механическую работу, после чего отводятся по трубопроводу 6. Колесо газовой турбины и крыльчатка нагнета­ теля 7 установлены на одном общем валу. Сжатый нагнетателем воздух при впуске по трубопроводу 3 поступает в цилиндр, что обеспечивает значительное повышение коэффициента наполнения двигателя.

При наддуве массовое наполнение цилиндра воздухом больше, чем без наддува. Поэтому в цилиндре можно сжигать большее коли­ чество топлива, что обеспечивает более высокие температуры и давления. Давление наддува у дизелей ограничивает тепловая и механическая напряженность деталей кривошипно-шатунного

а)

Ряс. 29. Схемы привода центробежного нагнетателя для наддува двигателя:

тателя; S — лопатки газовой турбины

механизма. У карбюраторных же двигателей давление воздуха ограничивает главным образом возникновение детонационного сгорания топлива, вследствие чего при наддуве следует уменьшать степень сжатия (до определенного предела.)

Нагнетатель карбюраторного двигателя устанавливают перед карбюратором (рис. 30, а) или за карбюратором (рис. 30, б). В пер­ вом случае в нагнетателе сжимается воздух, а во втором — горю­ чая смесь. (

Если нагнетатель установлен до карбюратора, то последний находится под давлением и поэтому должен быть достаточно гер­ метичным. В этом случае возможно уменьшить размеры карбюра­ тора и отказаться от подогрева смеси после пуска и во время про­ грева двигателя при малых зтловых скоростях, так как температура воздуха, выходящего при этом из нагнетателя, достаточно высока.

77

Еслп ;т;е нагнетатель расположен за карбюратором, то между карбюратором и цилиндром образуется большой объем, заполнен­ ный горючей смесью, что может вызвать повышенную конденсацию топлива при пуске п прогреве двигателя.

Объемные нагнетатели могут быть одно роторными (рис. 30, в) и двухроторными (рис. 30, г). Принцип действия однороторпого нагнетателя (см. рис. 30, в) заключается в следующем. На валу 1, эксцентрично расположенном в барабане 4 корпуса 5, укреплен ротор 6 с радиальными пазами А , в которые вставлены лопатки 3. При вращении ротора лопатки под действием центробежных сил прижимаются к барабану 4, имеющему окна 2, в результате чего

Рис. 30. Схемы расположения центробежного нагнетателя и схемы объемных нагнетателей:

пространство между соседними лопатками уменьшается, и воздух, заключенный в нем, сжимается. Для уменьшения износа лопаток барабан устаповлен в корпусе свободно и может вращаться.

Принцип действия двухроторного нагнетателя (см. рис. 30, г) состоит в следующем. На двух параллельных валах 1, располо­ женных в корпусе 5 нагнетателя, укреплены два двухлопастных ротора 6. Валы роторов при помощи шестерен 7 соединены между собой и вращаются в разные стороны. Воздух под действием раз­ режения поступает в нагнетатель через нижний патрубок и запол­ няет объем между роторами и корпусом. Затем этот объем воздуха переносится в полость нагнетапия и выталкивается через верхний патрубок.

Для автомобильных карбюраторных двигателей нагнетатели применяют сравнительно редко, так как при этом значительно

78

возрастает тепловая и механическая напряженность деталей кри­ вошипно-шатунного механизма, что снижает долговечность дви­ гателя. Для уменьшения износа автомобильного двигателя при наддуве нагнетатель следует включать только при полных нагруз­ ках, а при частичных — выключать его.

Широкое распространение получили нагнетатели для карбюра­ торных двигателей гоночных автомобилей. Целесообразно приме­ нение нагнетателей для карбюраторных двигателей и дизелей, которые установлены на автомобили, работающие в высокогорных условиях, когда снижение мощности двигателей может быть до­ вольно значительным.

У двухтактных дизелей нагнетатель служит не только для небольшого наддува воздуха в цилиндры двигателя, но также и для продувки цилиндров.

§ 3. ВПРЫСК ЛЕГКОГО ТОПЛИВА

При впрыске легкого топлива в цилиндры двигателя с принудитель­ ным воспламенением смеси от электрической искры повышается коэффициент наполнения в результате снижения сопротивлений в системе впуска, и топливо между цилиндрами распределяется равномерно.

С помощью насоса топливо через форсунку впрыскивают непо­ средственно в цилиндр (рис. 31, а), во впускной трубопровод (рис. 31, б) или во впускной канал в головке цилиндров (рис. 31, в).

Рис. 31. Способы впрыска топлива в двигателях с принудительным воспламенением:

а — в цилиндр: б — во впускной трубопровод; в — во впускной канал

В случае впрыска непосредственно в цилиндр топливо следует подавать только строго дозированными порциями, а при впрыске во впускной трубопровод или впускной канал головки — как дози-, рованными порциями, так и непрерывной струей. Коэффициент наполнения njln этом увеличивается вследствие уменьшения сопро­ тивлений в системе впуска (отсутствует карбюратор и увеличена площадь проходного сечения впускного трубопровода, устранен предварительный подогрев .воздуха, поступающего в цилиндры).

79