Графики внешней характеристики двигателя

Построение внешней скоростной характеристики

Внешней скоростной характеристикой двигателя называется зависимость эффективной мощности и эффективного крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала при полном открытии дроссельной заслонки [2].

Внешняя скоростная характеристика двигателя имеет следующие характерные точки:

1) ωмах – максимальная угловая частота вращения коленчатого вала двигателя.

2) ωN – угловая частота вращения коленчатого вала, соответствующая максимальной мощности двигателя.

Участок характеристики ωN – ωмах характеризуется повышенными механическими потерями и ухудшенным наполнением цилиндра, поэтому кривая мощности на этом участке падает. Эта часть скоростной характеристики обычно используется только у легковых автомобилей. Обычно принимают ωмах = (1,05-1,25) ωN .

Внешняя скоростная характеристика автомобиля ГАЗ-53А строится до ωмах = 1,2 ωN = 400 .

3) ωМ – угловая частота вращения коленчатого вала, соответствующая максимальному крутящему моменту.

4) Диапазон изменения частоты вращения ωmin = 60…100 является наиболее приемлемым для автомобильных двигателей. Для автомобиля ГАЗ-53А ωmin = 63 .

Для построения кривых эффективной мощности и эффективного крутящего момента двигателя рассчитывают 8 точек [1].

Определение текущих значений мощности производится по формуле:

Ne = Ne max [a+в— с],

где Ne – текущее значение эффективной мощности двигателя, кВт;

Ne max – максимальная мощность, кВт;

ωе – текущее значение угловой частоты двигателя, ;

ωN – угловая частота вращения при максимальной мощности, ;

а, в, с – постоянные коэффициенты, для данного двигателя

а = 0,667; в = 1,4; с = 1,067.

Ne = 84,8∙[0,667∙+1,4∙— 1,067∙] = 14,2 кВт.

Крутящий момент двигателя определяется по формуле:

Мк = 1000∙, Н∙м

Мк = 1000∙ = 225,4 Н∙м.

Результаты расчёта внешней скоростной характеристики

Выбор автомобиля по характеристикам двигателя

Максимальная мощность, объем, количество «горшков» мотора, есть ли турбина — это то, что обсуждают более продвинутые автолюбители в спорах о выборе автомобиля для быстрой езды. А вот эксперты, из числа тех, что любят ездить быстро, при выборе автомобиля интересуются, в том числе, и этими вопросами, но в несколько ином разрезе.

Возьмем, к примеру, количество цилиндров двигателя. Если вы думаете, что количество цилиндров как-то влияет на скорость и динамику автомобиля – ошибаетесь. Автопроизводители в прежние годы делали шестицилиндровыми двигатели с рабочим объемом 2, и даже 1.8 литра. Причина одна: рядная «шестерка» — более уравновешенная из схем двигателей внутреннего сгорания. С минимумом вибраций. И вовсе не из соображений мощности.

Что же касается рабочего объема, то есть двигатели, имеющие рабочий объем в 1.4 литра, и они мощнее, чем с двумя с половиной литрами.

Видите, как все «запущено»? Видите, что оперируя какими-то частными параметрами получить полное представление о том, как оно поедет, и в каких режимах ехать, чтобы реально поехало?

Иначе говоря, нужна некая обобщенная характеристика двигателя, чтобы от неё можно было «плясать» к частностям. И такая характеристика есть!

Перед вами графики так называемой внешней скоростной характеристики (ВСХ) двигателя, то есть зависимость мощности и крутящего момента от оборотов при полностью открытой дроссельной заслонке. ВСХ снимаются при испытаниях на стенде и являются объективными и весьма информативными данными о том, на что способен силовой агрегат. А этот агрегат, ВСХ которого вы видите на этой странице, способен на многое. Еще бы!

Крутящий момент двигателя, это способность автомобиля к быстрому разгону (вовсе не мощность), а в этом моторе пик равен 350 Нм, достигается уже к 2400 об/мин, и удерживается ровной «полочкой» до 5000 об/мин. Это говорит о том, что на любой скорости, при любых оборотах двигателя в диапазоне 2400-5000 об/мин, водитель всегда может получить добрую порцию ускорения. Главное – не «ронять» стрелку тахометра ниже 3000 об/мин, чтобы после переключения обороты не «просели» ниже пиков крутящего момента. Крутить выше до ограничителя – нет смысла при разгоне, потому как крутящий момент, судя по ВСХ, падает. Мощность в 180 кВт (порядка 245 л.с.) тоже у этого мотора не «детская». Если снаряженная масса автомобиля менее полутора тонн, то «максималка» будет не меньше 200 км/ч.

Видите, как все просто, нужен лишь график ВСХ. Правда, не всегда в характеристиках двигателей публикуют графики ВСХ, но, вообще говоря, графики и не нужны. Достаточно посмотреть в таблице характеристик пиковые значения мощности и крутящего момента, а также обороты, на которых они достигаются. Для вышеприведенного агрегата эти данные будут, примерно, такие:

Максимальная мощность 180 кВт при 6000 об/мин;

Максимальный крутящий момент 350 при 2400-5000 об/мин.

Вот теперь, после этого, можно смотреть на снаряженную массу автомобиля и его динамические характеристики (скорость, время разгона 0-100 км/ч). А про возможности авто и его приспособленность для скоростного и динамичного стиля вождения – уже все ясно.

Кстати, из графика крутящего момента ВСХ уже понятно, что двигатель, во-первых, бензиновый (пик мощности на 6000 об/мин, что «потолок» для дизеля). А во-вторых, он оборудован турбокомпрессором с изменяемой геометрией (благодаря ему достигается «полочка» крутящего момента).

Вот так, вкратце. А более развернуто можно ответить только на более конкретные вопросы выбора. Если они есть – задавайте!

Устройство автомобилей

Характеристики двигателей

Оценить мощностные и экономические возможности двигателя внутреннего сгорания при работе его в различных эксплуатационных условиях можно по техническим и технологическим характеристикам, получаемым в результате различных испытаний – стендовых, дорожных, полигонных, эксплуатационных и т. п.

Характеристикой двигателя называется зависимость основных показателей его работы (мощности, вращающего момента на выходном валу, расхода топлива) от одного из параметров режима работы (частоты вращения коленчатого вала, внешней нагрузки и т. п.). Характеристики двигателя определяют его эксплуатационные качества, уровень технического совершенства, правильность регулировок, а также его назначение.

Основные характеристики автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний»:

скоростная характеристика – зависимость основных эффективных показателей работы двигателя от частоты вращения его коленчатого вала;

коэффициент приспособляемости – способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки;

нагрузочные характеристики – зависимости удельного и часового расхода топлива от мощности, развиваемой двигателем;

характеристика холостого хода – зависимость часового расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя без нагрузки;

регулировочные характеристики – зависимость мощностных и экономических показателей работы от состава рабочей смеси, воспламеняемой в цилиндрах двигателя, угла опережения зажигания или впрыска, температуры двигателя и других регулируемых факторов.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочной характеристикой называется изменение часового и удельного расхода топлива в зависимости от величины нагрузки. Работа на режимах нагрузочной характеристики наиболее характерна для двигателей, которые используются для привода электрических агрегатов, насосов, компрессоров, тракторов. В частности, нагрузочная характеристика имитирует работу двигателя на автомобиле, при его движении с постоянной скоростью на одной из передач в условиях переменного сопротивления со стороны дороги.

Цель получения нагрузочной характеристики – определение топливной экономичности двигателя.

Условия получения нагрузочной характеристики:

• независимая переменная величина – нагрузка на двигатель (так как с увеличением нагрузки для ее преодоления двигатель должен увеличивать мощность N_е , среднее эффективное давление р_е и крутящий момент М_к , то нагрузку выражают в процентах относительно одного из этих параметров;
• постоянная величина – частота вращения коленчатого вала;
• зависимые переменные величины – удельный расход топлива g_е и часовой расход топлива G_t .

Скоростная характеристика

Скоростная характеристика двигателя представляет собой зависимость основных эффективных показателей его работы (эффективная мощность, вращающий момент на выходном валу, удельный и часовой расход топлива) от частоты вращения коленчатого вала при постоянной подаче топлива в цилиндры в установившемся тепловом режиме.

Различают внешнюю и частичные скоростные характеристики.
Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива (полностью открытой дроссельной заслонке или соответствующем положении рейки топливного насоса дизеля) и при углах опережения зажигания или начала впрыскивания топлива по техническим условиям на двигатель, называется внешней скоростной характеристикой двигателя .
Внешняя скоростная характеристика позволяет определить максимальные мощностные показатели двигателя и оценить его экономичность при полных нагрузках.

Характеристики, соответствующие постоянным промежуточным положениям дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, называются частичными скоростными характеристиками двигателя . Иными словами, любая характеристика, полученная при неполном открытии регулирующего органа двигателя, называется частичной скоростной характеристикой.

Скоростную характеристику реального двигателя строят по результатам стендовых испытаний.
Вал работающего двигателя нагружают с помощью тормоза, обеспечивая фиксирование частоты вращения от минимально устойчивой до максимально допустимой. При этом на каждой частоте замеряют тормозной момент М_т в (Н×м) и часовой расход топлива в кг/ч.

По результатам испытаний строят кривые зависимости эффективного вращающего момента и часового расхода топлива от частоты вращения вала двигателя.
Затем, используя формулы:

находят эффективную мощность и удельный расход топлива, после чего отображают их графические зависимости.

В зависимости от укомплектованности двигателя вспомогательными устройствами и оборудованием определяют мощность нетто (полная комплектация) или мощность брутто (неполная комплектация).
Различают следующие характерные частоты вращения коленчатого вала:

• минимальная частота вращения, при которой возможна устойчивая работа двигателя при полной подаче топлива;
• частота вращения, соответствующая наибольшему вращающему моменту;
• частота вращения, соответствующая наибольшей мощности двигателя;
• наибольшая возможная частота вращения коленчатого вала, устанавливаемая ограничителем частоты вращения.

Характеристика холостого хода является частным случаем скоростной характеристики двигателя.

Внешнюю скоростную характеристику вновь проектируемого двигателя можно построить по эмпирическим зависимостям, где максимальная мощность и соответствующие ей удельный расход топлива и частота вращения берутся из данных теплового расчета двигателя при его конструировании.

Приемистость и приспособляемость двигателя

Способность двигателя с ростом частоты вращения коленчатого вала наращивать мощность называется его приемистостью .
Приемистость двигателя непосредственно влияет на приемистость автомобиля, т. е. его способности ускоряться и разгоняться. Скоростная характеристика во многом отражает степень приемистости двигателя: чем круче кривая N_е , тем приемистость двигателя больше.
Если сравнить скоростные характеристики карбюраторного двигателя и дизеля, то можно заметить, что кривая мощности N_е у дизеля круче, т. е. дизель обладает большей приемистостью.

Способность двигателя с ростом внешней нагрузки сохранять частоту вращения коленчатого вала называется его приспособляемостью (самоприспособляемостью или эластичностью).
Например, затяжной подъем один из автомобилей может преодолеть без переключения КПП на пониженную передачу, а другой при таких же условиях заглохнет. Следовательно, в первом случае приспособляемость двигателя автомобиля выше, чем во втором.
Приспособляемость автомобиля к изменению внешней нагрузки оценивается коэффициентом приспособляемости (коэффициентом самоприспособляемости). Чем больше значение этого коэффициента, тем лучше приспособляемость автомобиля к увеличению внешней нагрузки.

Устойчивость режима автомобильного двигателя к увеличению внешней нагрузки оценивают по запасу крутящего момента, который определяется отношением максимального крутящего момента М_кmax к крутящему моменту М_кном , развиваемому двигателем на номинальном режиме; это отношение и называют коэффициентом приспособляемости k .

Коэффициент приспособляемости k , характеризующий приспособляемость двигателя к изменению внешней нагрузки, может быть определен по формуле:

В бензиновых двигателях средний коэффициент приспособляемости k = 1,25. 1,35, в дизельных k = 1,05. 1,2.
Поскольку коэффициент приспособляемости характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки без переключения передач, можно сделать вывод, что дизельные двигатели переносят изменение внешней нагрузки хуже, чем карбюраторные. Чтобы преодолеть этот недостаток дизелей увеличивают размеры цилиндров, что приводит к увеличению крутящего момента, а также применяют всережимные регуляторы частоты вращения коленчатого вала.

Построение графика внешней, скоростной характеристики двигателя

На графике внешней характеристики наносятся кривые мощности, крутящего момента двигателя и удельного расхода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при полной подаче топлива.

Кривая мощности строится по эмпирическому уравнению

, (1.1)

где N_e и w_e – текущее значение мощности в (кВт) и угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя (1/с).

a, b, c – коэффициенты, значение которых зависят от типа и конструкции двигателя.

Значения коэффициентов a,b и c определяются по формулам:

a = 2-b; b = 2·ω_M /ω_N , (1.2)

где ω_M — угловая скорость коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, 1/с.

Для карбюраторных автомобилей допустимо принять:

b = 1; a = 2-1 =1; с = 1.

Кривая крутящего момента строиться с использованием уравнения

, (1.3)

где M_e – текущее значение крутящего момента, .

В официальных документах (технические характеристики, инструкции, справочники, каталожные листы и т.п.) под названием максимальная мощность и соответствующей ей частоте вращения, указываются номинальная мощность и номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя.

Если на автомобильном двигателе с ограничителем частоты вращения в технической характеристике указана мощность и частота вращения на ограничителе (N и ), то при построении внешней характеристики следует принимать:

— для карбюраторных двигателей грузовых автомобилей:

N = (1,05-1,1) N ; _{= 0,8 ,} (1.4)

— для карбюраторных двигателей легковых автомобилей:

N = 1,1 N ; _{= 0,8 ,} (1.5)

— для дизелей, снабженных регуляторами:

N = N ; _{= ,} (1.6)

Кривая удельного расхода топлива двигателем строиться на основании зависимости:

q = q k , (1.7)

где q_eN – удельный расход топлива двигателем при N_emax , который может быть принят равным 300-340 г/кВт·ч для карбюраторных и220-240 г/кВтч – для дизельных двигателей (точные расходы для отечественных двигателей выпуска до 1994 года указаны на стр.561-563 );

k_ω – коэффициент влияния w_e на q_e , значение которого приведены в таблице 1.1

Следует учитывать, что если в литературе частота вращения коленчатого вала двигателя n задана в об/мин, то для перевода ее в 1/сек используется известная зависимость:

= n /30, (1.8)

Результаты расчета сводятся в таблицу 1.2*.

1/сек;

кВт

Нм

Таблица 1.2 Результаты расчета.

Параметры	Размерность	Значения параметров
0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2
	1/с	652,8
	кВт	13,5	28,8	43,2	53,8	52,896
	нм	123,9	132,1	132,5	123,8	106,6	81,029
	г/(кВтч)

Графики N_e , M_e и q_e от w_е приведены на рисунке 1.

Рис.1.1 –Внешняя скоростная характеристика двигателя.

* — во всех разделах расчетно-графической работы необходимо приводить пример расчета для одного из исходных данных, для того, чтобы можно было проверить правильность расчетов

Дополнительное задание:

По ВСХ определить:

— запас крутящего момента;

— коэффициент приспособляемости по оборотам;

— коэффициент приспособляемости по моменту.