Характеристики автомобильного двигателя

На современных автомобилях устанавливаются почти исключительно поршневые двигатели внутреннего сгорания. Рассмотрим характеристики этих двигателей.

Для определения внешних сил, действующих на автомобиль при различных дорожных условиях, основное значение имеют зависимости эффективной мощности и крутящего момента на коленчатом валу двигателя от угловой скорости (числа оборотов) коленчатого вала. Эти зависимости называют скоростной характеристикой двигателя.

Скоростные характеристики разделяют на внешние (предельные) и частичные. Первые получаются при максимальной подаче топлива, т.е. при полном открытии дроссельной заслонки у бензиновых двигателей или положении рейки топливного насоса «до упора» в дизеле, вторые при неполной подаче топлива, т.е. при промежуточных (но постоянных) положениях органов, регулирующих подачу топлива.

Скоростные свойства автомобиля определяются только при работе двигателя на внешней скоростной характеристике.

При определении скоростных свойств автомобиля приходится встречаться со следующими важными элементами внешней скоростной характеристики:

N_max – максимальное (номинальное) значение эффективной мощности;

w_n (n_n) – частота вращения (число оборотов), соответствующая максимальной мощности;

M_max – максимальное значение крутящего момента;

M_n – значение крутящего момента, соответствующего частоте вращения w_еn ( n_n);

w_m (n_m) – частота вращения (число оборотов), соответствующая максимальному крутящему моменту;

w_min (n_min) – минимальная устойчивая частота вращения (число оборотов) при полной подаче топлива; для современных автомобильных двигателей w_min=80…100 рад/с (n_min=800…1000 об/мин);

w_max (n_max) – максимальная частота вращения (число оборотов) при полной подаче топлива;

w_xх (n_xх) – частота вращения (число оборотов) на холостом ходу.

У двигателей, не имеющих ограничителей оборотов, максимальная угловая скорость (число оборотов) может изменяться в широких пределах в зависимости от условий движения. На высшей передаче в коробке передач при движении по горизонтальной дороге удовлетворительного качества максимальная угловая скорость (число оборотов) на 10…20% больше w_n (n_n).

На рис. 2 показана внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя, снабженного ограничителем оборотов.

Установка ограничителя оборотов имеет целью повышение долговечности двигателей. Ограничитель вступает в работу на той части внешней характеристики, на которой мощность почти не возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Это соответствует частота вращения

w_n0 = (0,8…1)w_n

Мощность, соответствующую началу работы ограничителя оборотов, обозначают N_e0, а угловую скорость, соответствующую этой мощности, – w_n0. Максимальной мощностью N_max в этом случае будем называть ту мощность, которая соответствует максимуму кривой N_e = f(w_e) при отсутствии ограничителя оборотов. Этой мощности соответствуют угловая скорость w_n (обороты n_n) и момент М_n.

Максимальная угловая скорость в этом случае соответствует работе по ограничителю оборотов на холостом ходу (N_e = 0).

Внешняя характеристика дизеля (рис. 2) в рабочем диапазоне угловых скоростей не достигает максимума. Максимальным значением мощности N_max считают мощность, соответствующую включению регулятора. Максимальная угловая скорость в этом случае определяется по регуляторной части характеристики на холостом ходу (N_e = 0).

Большое влияние на скоростные свойства автомобиля оказывает коэффициент приспосабливаемости двигателя K = M_max/M_n.

Значения коэффициентов приспособляемости двигателя у современных двигателей изменяются в следующих пределах: карбюраторные двигатели К=1,15…1,35; дизели К=1,1…1,15.

Рис. 2. Внешняя скоростная характеристика двигателя.

Для улучшения приспособляемости на некоторых дизелях устанавливаются специальные корректоры, повышающие коэффициент приспособляемости до 1,2…1,25.

Скоростные характеристики двигателей получаются экспериментально на специальных стендах. Испытания проводятся по специальной стандартной методике, различной в каждой стране. В частности, с двигателя снимается часть приборов, без которых двигатель может работать на стенде.

В РФ согласно ГОСТ 22576–90 испытания проводятся без глушителя, вентилятора, радиатора и компрессора. Согласно стандарту DJN, действующему в ФРГ, при испытаниях двигателей отсутствуют только радиатор и компрессор, а по американскому стандарту SAE, кроме тех приборов, которые снимаются по ГОСТ, снимаются еще воздушный фильтр, генератор и водяной насос.

Кроме того, в разных странах принята различная регулировка систем питания и зажигания. Поэтому для двигателя, имеющего одинаковую фактическую максимальную мощность, в каталогах и инструкциях разных стран будет указано различное ее значение, максимальное по SAE и минимальное по DJN.

Полученная при стендовых испытаниях мощность двигателя приводится к так называемым нормальным условиям, т.е. к атмосферному давлению, равному 760 мм рт.ст. и температуре 15°С. Это приведенное значение мощности и указывается в различных официальных документах (каталоги, инструкции и др.).

Будем называть эту мощность стендовой N_{e ст}.

При определении скоростных свойств автомобиля следует учитывать, что, во-первых, часть стендовой мощности двигателя при работе его на автомобиле затрачивается на привод тех приборов, которые были сняты при его испытании на стенде, а, во-вторых, температура и давление при работе двигателя на автомобиле (микроклимат подкапотного пространства) не соответствуют нормальным условиям.

Поэтому к трансмиссии автомобиля подводится мощность, меньше стендовой на 10…20 % ( N_e = N_{e ст}/A, где А=1,1…1,2).

Для расчетов удобнее пользоваться не графиками, а аналитическими зависимостями.

Имеется ряд эмпирических формул, позволяющих вычислить мощность N_e, соответствующую заданной частота вращения w_e (числу оборотов), по заданной максимальной мощности N_max и частота вращения w_n, (числу оборотов), соответствующей этой мощности.

Наиболее употребительной является эмпирическая формула, предложенная ученым С.Р. Лейдерманом:

. (1)

Коэффициенты а, b и c зависят от типа двигателя. Для карбюраторных двигателей а = b = c = 1,0; для четырехтактных дизелей с неразделенной камерой а = 0,87, b = 1,13, с = 1; для четырехтактных дизелей с предкамерой а = 0,60, b = 1,40, с = 1,0; с вихревой камерой а = 0,7, b = 1,3, с = 1,0.

Эта формула может быть преобразована и для определения максимального крутящего момента М_max соответствующей этому моменту угловой скорости w_max (числа оборотов n_m).

Для бензинового двигателя M_max = 1250 N_max/w_n; w_m = 0,5 w_n

Для дизелей с неразделенной камерой M_max= 1190 N_max/w_n; w_m = 0,56w_n

Для дизелей с предкамерой M_max = 1090 N_max/w_n; w_m= 0,7w_n

Для дизелей с вихревой камерой M_max= 1120 N_max/w_n; w_m= 0,65w_n

В этих формулах мощность выражена в кВт, а крутящий момент в .