Некоторые параметры двигателя и его скоростные (внешние) характеристики

В ДВС превращение теплоты, которая выделяется при сгорании горючей смеси, в механическую работу осуществляется с помощью газового рабочего тела, состояние которого изменяется на протяжении всего рабочего цикла. Под действием газов в камере сгорания, которая ограничена поршнем, головкой и стенками цилиндра, поршень выполняет обратно-поступательное движение, которое кривошипно-шатунным механизмом превращается во вращательное.

Рис. 2. Схема кривошипно-шатунного механизма двигателя

внутреннего сгорания.

- диаметр поршня, - высота рабочей камеры, - высота камеры сгорания, - длина шатуна, - радиус кривошипа коленчатого вала.

За один поворот коленчатого вала поршень дважды перемещается между своими крайними положениями - верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мёртвыми точками (рис. 2). Расстояние между ними называется ходом поршня , м:

, (4)

где R - радиус кривошипа коленчатого вала, м.

Отношение радиуса кривошипа к его длине в современных двигателях

(5)

Одним из важнейших параметров, которые обусловливают среднюю скорость движения поршня и основные геометрические параметры двигателя, есть отношение хода поршня к диаметру цилиндра (поршня). Как правило, это отношение называют показателем быстроходности и в современных двигателях находится в пределах:

(6)

Если - такой двигатель называется короткоходным. При двигатель считается долгоходным. В современном двигателестроении при производстве высокоскоростных двигателей для частичного уменьшения средней скорости поршней используются короткоходные двигатели.

Объём цилиндра, который образуется между ВМТ и НМТ называется рабочим объёмом . Суммарный рабочий объём (литраж) всех цилиндров двигателя есть одним из основных параметров, которые характеризуют двигатель и автомобиль в целом. Рабочий объём двигателя с количеством цилиндров i равен:

, (7)

Объём над поршнем и головкой двигателя, в момент, когда он находится в ВМТ, называется объёмом камеры сгорания . Сумму рабочего и объёма камеры сгорания называют полным объёмом цилиндра.

Полный объём всего двигателя:

, (8)

Важным параметром, от которого зависит рабочий процесc двигателя, есть степень сжатия . Она представляет собой отношение полного объёма к объёму камеры сгорания:

(9)

Между степенью сжатия и важнейшими параметрами двигателя, его мощностью и экономичностью существует прямая зависимость. Но при значительном увеличении степени сжатия температура в цилиндрах двигателя значительно повышается, что может привести к такому явлению, как детонация - взрывоподобное сгорание горючей смеси.

Во время детонации детали двигателя, в первую очередь поршни, воспринимают большие ударные нагрузки. Поэтому работа двигателя при таких условиях недопустима в целях предотвращения разрушения его деталей. В ДВС с определённой степенью сжатия вероятность возникновения детонации зависит от детонационной стойкости горючего, на котором работает двигатель. Для бензинов марки "АИ" она исчисляется октановым числом - 76, 78, 82, 92, 93, 95, 96, 98 и зависит от количества изооктана и гептана присутствующего в нём. Как правило тихоходные карбюраторные двигатели имеют степень сжатия 7,0/1 - 9,0/1 и работают на топливе с низким октановым числом (до 82). У карбюраторных быстроходных двигателей = 9,0/1 - 9,5/1, используемые марки бензина "АИ - 92", "АИ - 93", у инжекторных = 9,5/1 - 12/1 и топливо с октановым числом - выше 93.

В спортивных автомобилях не массового производства в качестве горючего используется газ метанол и степень сжатия достигает 15-ти абсолютных единиц.

В дизельных двигателях топливом является, как правило, солярка, а цифры 45 - 55 есть показателем в ней цетана, а степень сжатия колеблется в пределах 16 - 22 единиц.

Главными параметрами, которые характеризуют работу ДВС, есть крутящий момент, мощность и расход топлива. Эти параметры изменяются в зависимости от частоты оборотов коленчатого вала двигателя и называются внешними скоростными показателями.

У двигателя различают:

- индикаторную мощность, т. е. мощность, снимаемую с поршня двигателя. Ее называют индикаторной, так как определяют с помощью специального прибора — индикатора во время испытаний двигателя на стенде:

, (кВт) (10)

где - давление в камере сгорания, - объём камеры сгорания, - количество оборотов коленчатого вала, i - число цилиндров двигателя, - тактность двигателя.

- эффективную мощность, т. е. мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя.

, (кВт) (11)

где - эффективный крутящий момент, - угловая скорость вращения коленвала в рад/сек, или:

, (л.с.) (12)

Эффективным крутящим моментом называют результирующий момент системы сил, действующих на коленчатый вал двигателя и вызывающих его вращение:

, (13)

где - частота вращения в об/мин.

Важным показателем, характеризующим совершенство конструкции двигателя, является литровая мощность, которая представляет собой отношение максимальной эффективной мощности двигателя к его рабочему объему:

, (кВт/л) (14)

Как известно, всякое преобразование энергии сопровождается ее потерями. Отношение энергии, воспринимаемой поршнем, к энергии сгорающего в двигателе топлива называют индикаторным коэффициентом полезного действия (к.п.д.), который меньше единицы. Механический к.п.д. представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной.

Эффективный к. п. д. равен произведению индикаторного и механического к.п.д. Среднее значение индикаторного к.п.д. составляет около 0,30. Это означает, что из 100 кал теплоты, которая выделяется при сгорании топлива в цилиндрах, только 30 кал превращаются в полезную механическую работу. Малое значение к.п.д. объясняется тем, что значительную часть теплоты уносят с собой охлаждающая вода и отработавшие газы. Механический к. п. д. двигателя равен примерно 0,85 вследствие потерь мощности на преодоление трения в различных механизмах двигателя. Таким образом, эффективный к.п.д. карбюраторных двигателей составляет 0,30 х 0,85 = 0,25.

Удельным эффективным расходом топлива называют расход топлива в граммах, отнесенный к единице эффективной мощности:

, (15)

где G - расход топлива за один час, который определяется зависимостью:

, (кг/час) (16)

где - цикловая подача топлива (г/цикл).

Как видно, скоростные характеристики ДВС являются величинами переменными и изменяются в зависимости от частоты вращения коленчатого вала на каждом определённом режиме работы (на оборотах холостого хода, номинальных и максимальных) двигателя и внешних нагрузок.

Связь между внешними характеристиками двигателя и частотой вращения представляется в качестве зависимостей , , и выводится в виде графиков. В качестве примера на (рис. 3) представлены скоростные характеристики бензинового инжекторного двигателя автомобиля "Volkswagen" (Passat) объёмом 2 тыс. куб. см.

Рис. 3. Внешние скоростные характеристики двигателя автомобиля "Volkswagen" (Passat)

- максимальные эффективные мощность и крутящий момент, - мощность и крутящий момент развиваемые при минимальной угловой скорости коленчатого вала, которая соответствует оборотам холостого хода двигателя, - соответственно минимальный удельный расход топлива, расход при которых двигатель развивает максимальную мощность и расход при максимальном крутящем моменте, - соответственно минимальная и максимальная частоты, частоты, при которых двигатель развивает максимальный крутящий момент и мощность, частота при минимальном удельном расходе топлива.

После математической обработки результатов большого множества стендовых испытаний различных двигателей получены аппроксимирующие уравнения, которые позволяют с достаточно высокой степенью приближения рассчитывать промежуточные параметры указанных выше величин при различных частотах вращения коленвала двигателя:

, ( кВт) (17)

, () (18)

, () (19)

где - максимальная мощность двигателя, кВт;

- угловая скорость коленчатого вала, при которой достигается максимальное значение мощности, рад/c;

- поточные значения мощности и частоты вращения коленвала;

- эмпиричные коэффициенты (таблица 1).