Автомобильные двигатели

Розпилювачі, у яких голка має плоский кінець, називаються безштифтовими. Їхнім недоліком є те, що при експлуатації в них порушується герметичність у сопла, у зв'язку з чим не забезпечується гарне розпилювання палива. Зі збільшенням числа оборотів вала паливного насоса, а також при переході до двотактного процесу починають сильно позначатися на процесі вприскування коливання стовпа рідини в нагнітальному трубопроводі. Коливання викривляють закон подачі палива, заданий профілем кулачка і можуть викликати додаткове вприскування палива (підвприскування).

13.5 Насоси-форсунки

Для усунення вищезгаданих недоліків систем розділеного типу поєднують насос і форсунку в  один агрегат - насос-форсунку. Вона встановлюється в голівці циліндрів і приводиться  в дію від кулачка розподільного  вала, при цьому відпадає необхідність у нагнітальному трубопроводі. У насосі-форсунці початок і кінець вприскування виходять чіткими і відповідають геометричним моментам подачі. Це дозволяє підвищити економічність дизелів завдяки високому тиску вприскування, що досягає 200 МПа. До недоліків насосів-форсунок відносять необхідність регулювання неї на двигуні і труднощі забезпечення рівномірної подачі на багатоцилиндровому двигуні.

13.6 Тертя і зношування прецизійних  сполучень

Система нерозділеного  типу відрізняється тим, що в ній застосовуються паливні насоси високого тиску і форсунки, об'єднані в один прилад. Такі системи застосовуються значно рідше, ніж розділені.

Частка відмов паливної апаратури від загального числа  відмов дизелів досягає 20-50%. При  цьому найбільш частими дефектами ПНВТ і форсунок є відповідно заклинювання і знос плунжера, зависання голки і розгерметизація по замикаючому конусу. Основні види зношування - абразивне і гідроабразивне. Знос приводить до зменшення тиску вприскування і циклової подачі.  

Серед властивостей палива, що дають вплив на роботу паливної апаратури, слід зазначити здатність  до нагароутворення, лакоутворення  і смолистих відкладень, що викликають відхилення режимів роботи від розрахункових.

13.7 Акумуляторні паливні системи

У цих системах подачею  палива керує спеціальний орган, не зв'язаний з рухом плунжера насоса високого тиску. У таких системах подачу палива в акумулятор забезпечує насос порівняно простої конструкції, а вприскування палива в циліндри забезпечується за допомогою електрогідравличних форсунок. Це забезпечує високу якість вприскування на всіх режимах двигуна.

 

 ТЕМА 14 ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

14.1 Види характеристик

Режим роботи ДВЗ характеризується частотою обертання колінчастого вала і розвинутою потужністю. Частота обертання п може змінюватися від n_min до n_max. Мінімальна частота обертання n_min визначається умовою усталеної роботи двигуна під навантаженням. Максимально припустима частота n_max обмежується умовою якісного протікання робочого циклу, механічними навантаженнями на елементи кривошипно-шатунного механізму двигуна від впливу сил інерції і т.п. При будь-якій частоті обертання ефективна потужність двигуна і відповідний даному режиму крутний момент, можуть змінюватися від нульового значення (режим холостого ходу) до максимального.

Оцінка роботи двигуна  на перемінних режимах здійснюється за допомогою характеристик, що звичайно графічно виражають залежність основних показників двигуна від параметра, що характеризує режим роботи двигуна (навантаження, частота обертання колінчастого вала), чи від якого-небудь регулювального параметра (кут випередження запалювання, коефіцієнт надлишку повітря і т.п.).

Характеристики двигуна  дозволяють судити про можливість його використання для роботи з даним споживачем. Специфічні умови роботи двигуна з різними споживачами визначають різні типи характеристик. Для аналізу роботи автотракторних двигунів внутрішнього згоряння використовуються наступні характеристики: швидкісна, навантажувальна, регуляторна і регулювальна.

Крім цих основних характеристик, для двигунів іншого призначення можуть використовуватися  спеціальні характеристики: тепловозна, гвинтова й ін.

Режими роботи автомобільного двигуна визначаються умовами руху автотранспортного засобу і характеризуються широким діапазоном зміни навантаження і частоти обертання. Зміна швидкісного режиму роботи двигуна забезпечує необхідну зміну швидкості руху автомобіля на даній передачі. На кожній швидкості руху, при будь-якій частоті обертання колінчастого вала двигуна, його навантаження може змінюватися від нуля до максимального значення.

На малюнку 14.1 представлені характерні швидкісні характеристики для ефективної потужності карбюраторного (а) і дизельного (б) двигунів.

                       а)                                                                б)

Малюнок 14.1

 

Можливі режими роботи двигуна, що працює в транспортних умовах, характеризуються точками, розташованими усередині  контуру, обмеженого кривою зміни потужності в залежності від частоти обертання і лініями граничних частот обертання.

При проектуванні двигунів деякі характеристики можуть бути отримані в результаті розрахунку (швидкісні  і навантажувальні), хоча й у цьому  випадку багато параметрів визначаються по емпіричних залежностях, отриманих на підставі обробки великого числа дослідницьких даних.

14.2 Швидкісні характеристики

Швидкісна характеристика - залежність потужності N, крутного моменту M_кр, витрати палива G_т і питомої витрати палива g_e від частоти обертання колінчастого вала двигуна. Розрізняють зовнішню і часткові швидкісні характеристики.

Швидкісну зовнішню характеристику одержують при повному відкритті  дросельної заслінки карбюратора чи при положенні рейки паливного  насоса дизеля, що відповідає номінальній  потужності (лінії a на малюнку 14.1). Будь-яка характеристика, отримана при неповному відкритті регулюючого органа двигуна, називається частковою швидкісною характеристикою (лінії b на малюнку 14.1).

Зовнішня швидкісна  характеристика дозволяє визначити  максимальні показники потужності двигуна й оцінити його економічність при повних навантаженнях. Характеристику одержують у діапазоні від мінімальної стійкої частоти обертання до ~1.2n_ном, де n_ном - частота обертання, зазначена заводом-виготовлювачем для номінальної потужності.

Для оцінки стійкості  режиму двигуна при роботі за зовнішньою характеристикою використовують коефіцієнт пристосовності К, що дорівнює відношенню максимального крутного моменту (чи середнього ефективного тиску) при  роботі двигуна за зовнішньою характеристикою до крутного моменту (чи середнього ефективного тиску), що відповідає номінальній частоті обертання вала двигуна.

Для транспортних карбюраторних  двигунів коефіцієнт пристосовності дорівнює 1.25 – 1.35, для транспортних дизелів 1.05-1.15, причому менші значення коефіцієнта пристосовності мають двигуни з наддувом.

Швидкісний діапазон усталеної роботи двигуна оцінюється швидкісним коефіцієнтом K_c, який рівен відношенню частоти обертання, що відповідає максимальному крутному моменту, при роботі двигуна за зовнішньою характеристикою, до частоти обертання на номінальному режимі. Швидкісний коефіцієнт у карбюраторних двигунів складає             0.45 – 0.55, а в дизелів 0,55 – 0,70 (при наддуві до 0.8).

З достатнім ступенем точності зовнішні швидкісні характеристики можна побудувати за результатами теплового розрахунку для режиму максимальної потужності двигуна. Діапазон можливих змін швидкості обертання лежить в інтервалі від 600 об/хв до 1.2n_ном для карбюраторних двигунів і від ~350 об/хв до n_ном для дизелів.

Залежність потужності двигуна від швидкості його обертання можна виразити наступним узагальненим вираженням

Для карбюраторних двигунів приведене вираження спрощується  і здобуває вид

Для дизелів з нерозділеною камерою згоряння рекомендується залежність

для передкамерних дизелів

і вихрокамерних 

Питома ефективна витрата  палива визначається наступними рівняннями:

для карбюраторних двигунів

для дизелів з нерозділеними  камерами

На малюнку 14.2 як приклад  представлені розрахункові зовнішні швидкісні  характеристики одного з карбюраторних  двигунів.

Двигуни внутрішнього згоряння часто працюють з перемінною частотою обертання колінчастого вала, але при постійному положенні органа керування, що відповідає меншій подачі палива чи суміші, ніж при роботі за зовнішньою характеристикою. Залежність ефективної потужності двигуна від частоти обертання його вала при різних положеннях органа керування подачею палива чи суміші називають частковими швидкісними характеристиками.

При роботі за частковою швидкісною характеристикою з цикловою подачею  палива,   яка   близька  до  номінальної  і  відповідає  найбільш економічній роботі дизеля, ефективний ККД може бути навіть вище, ніж при роботі за зовнішньою швидкісною характеристикою.

Малюнок 14.2

 

У карбюраторних двигунах з економайзером у карбюраторі  при роботі за частковими характеристиками, що відповідають прикриттю дросельної заслінки на 20-30%, ефективний ККД вище, ніж при роботі двигуна по зовнішній характеристиці.

Розрахунки часткових швидкісних характеристик є наближеними, тому визначають ці характеристики шляхом експерименту.

14.3 Навантажувальні характеристики

Двигуни, призначені для  привода генераторів, компресорів, насосів і т.п. повинні працювати  так, щоб частота обертання вала привода при змінах навантаження змінювалася можливо менше. Тому роботу таких двигунів оцінюють по характеристиках, отриманих при постійній частоті обертання. Ці характеристики називають навантажувальними. Навантажувальна характеристика карбюраторного двигуна показана на малюнку 14.3.

Малюнок 14.3

 

При збільшенні зовнішнього  навантаження і відкритті дросельної заслінки внаслідок зменшення гідравлічного опору карбюратора знижується розрідження у впускному трубопроводі, витрата пальної суміші, а, отже, і годинна витрата палива збільшуються, що й обумовлює підвищення крутного моменту, і потужності.

В області малих і середніх навантажень карбюратор повинен забезпечувати готування пальної суміші так називаного економічного складу, що змінюється від a_эк = 0,7 - 0,85 на холостому ходу до a_эк = 1,1 - 1,2 поблизу повного навантаження. Найменша ефективна питома витрата палива досягається при максимальному значенні добутку h_ih_м на режимі, що передує включенню економайзера. У діапазоні навантажень 80 - 100% від повного, незважаючи на триваючий ріст h_м, ефективна витрата палива збільшується через зниження h_i внаслідок переходу до збагаченого склада суміші.

Навантажувальні характеристики визначають при різних, постійних  для кожної характеристики частотах обертання послідовним збільшенням  подачі палива в межах зміни навантаження від нуля до відповідної повної подачі чи подачі, яка більше повної.

Навантажувальна характеристика дизеля представлена на малюнку 14.4.

Малюнок 14.4

 

По серіях навантажувальних характеристик дизеля можна побудувати його швидкісні, регулювальні і багатоопараметрові характеристики.

У дизелі підвищення виробляємої механічної енергії, необхідне при рості зовнішнього навантаження, досягається збільшенням подачі палива в циліндр. У дизеля без наддуву подача повітря не регулюється. Кількість повітря, що надходить у циліндр, з ростом навантаження в невеликій мірі (тим меншій, чим вище частота обертання) знижується в основному через збільшення підігріву заряду в процесі впуску. Останнє зв'язано зі збільшенням температури деталей.

Широкий діапазон зміни  складу суміші при зміні навантаження ілюструє один з основних класифікаційних ознак дизеля - якісне регулювання.

При побудові навантажувальної характеристики часто використовують відносини абсолютних значень параметрів до відповідного їх значенням на номінальному режимі.

14.4 Регулювальні характеристики

Регулювальні характеристики дозволяють уточнити вплив окремих елементів регулювання і параметрів режиму роботи двигуна на потужність і питому витрату палива. По регулювальних характеристиках визначають, зокрема, вплив кута випередження запалювання (малюнок 14.5) чи вприскування палива (малюнок 14.6), коефіцієнта надлишку повітря (малюнок 14.7), тиску чи тривалості вприскування і т.п. на потужність і економічність двигуна.

Крім розглянутих характеристик  при аналізі роботи двигуна використовують і інші (характеристики холостого ходу, пускові і т.п.).

Способи розрахунку характеристик  двигунів є наближеними, тому дійсні характеристики одержують при випробуванні двигунів на спеціальних стендах. Результати випробувань приводять до одних  і тих же атмосферних умов по формулах відповідно до діючого стандарту.

Малюнок 14.5

Малюнок 14.6

Малюнок 14.7

 

14.5 Основні шляхи поліпшення  характеристик транспортних двигунів

1. Вибір відповідних  фаз газорозподілу. 

Установка найвигідніших  фаз газорозподілу при зниженій частоті обертання називається тихохідним регулюванням, а установка для швидкісного режиму, близького до номінального – швидкохідним регулюванням. Двигун з тихохідним регулюванням має більш високий коефіцієнт пристосовності і менший швидкісний коефіцієнт.