шпоры ДВС

Классификация двигателей
Тепловые двигатели можно классифицировать по различным признакам
1. По назначению двигатели делят на:
а) стационарные, применяемые на электростанциях, для привода насосных установок, на нефти- и газоперекачивающих установках, в сельском хозяйстве и т. п.;
б) транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, самолетах, судах, локомотивах и других транспортных машинах и передвижных установках.
2. По роду используемого топлива различают двигатели, работающие на:
а) легком жидком топливе (бензине и керосине);
б) тяжелом жидком топливе (мазуте, соляровом масле, дизельном топливе и газойле);
в) газовом топливе (генераторном, природном, промысловом и других газах);
г) смешанном топливе; основным топливом является газ, а для пуска двигателя используется жидкое топливо;
д) различных топливах (бензине, керосине, дизельном топливе и др.) многотопливные двигатели.
3. По способу преобразования тепловой энергии в механическую двигатели классифицируют на двигатели:
а) внутреннего сгорания поршневые и роторно-поршневые, в которых процессы химического реагирования и превращения тепловой энергии в механическую работу происходят во внутрицилиндровом объеме (в надпоршневом пространстве);
б) с внешним подводом теплоты. Сюда относятся: газотурбинные двигатели, в которых процессы химического реагирования происходят в отдельном агрегате (камере сгорания), образующееся при этом рабочее тело (продукты сгорания) поступает на лопатки колеса турбины, где совершает работу;
в этих двигателях рабочим телом являются продукты сгорания, образующиеся в процессе сгорания смеси в камере. Это позволяет также отнести газовые турбины к двигателям внутреннего сгорания;
двигатели, где теплота к постоянно циркулирующему по замкнутому контуру рабочему телу подводится в теплообменнике, а тепловая энергия затем используется в расширительном цилиндре (паровые двигатели, работающие по циклу Рэнкина, и двигатели, работающие по циклу Стирлинга);
в) комбинированные, в которых сгорание топлива осуществляется в поршневом двигателе, являющемся генератором газа, механическая работа совершается в цилиндре поршневого двигателя и частично на лопатках колеса газовой турбины (свободнопоршневые генераторы газов, турбопоршневые двигатели и т. п.).
4. По способу смесеобразования поршневые двигатели внутреннего сгорания Делят на двигатели:
а) с внешним смесеобразованием горючая смесь образуется вне цилиндра (карбюраторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускную трубу);
б) с внутренним смесеобразованием при впуске в цилиндр поступает только воздух, а рабочая смесь образуется внутри цилиндра. По такому способу работают дизели, в которых топливо в камеру сгорания подается, когда поршень находится вблизи верхней мертвой точки (в. м. т.) в конце процесса сжатия; двигатели с искровым зажиганием и впрыском топлива в цилиндр и газовые двигатели с подачей жидкого топлива или газа в цилиндр в начале процесса сжатия;
в) с расслоением заряда, при котором в различных зонах камеры сгорания образуется рабочая смесь разного состава.
5. По способу воспламенения рабочей смеси различают двигатели:
а) с воспламенением рабочей смеси от электрической искры (с искровым зажиганием);
б) с воспламенением от сжатия (дизели);
в) с форкамерно-факельным зажиганием, в которых смесь воспламеняется искрой в специальной камере сгорания небольшого объема, а дальнейший процесс горения происходит в основной камере;
г) с воспламенением газового топлива от небольшой порции дизельного топлива, воспламеняющегося от сжатия, газожидкостный процесс.
6. По способу осуществления рабочего цикла поршневые двигатели разделяются на:
а) четырехтактные без наддува (впуск воздуха из атмосферы) и с наддувом (впуск свежего заряда под давлением);
б) двухтактные без наддува и с наддувом.
Применяют наддув с приводом компрессора от газовой турбины, работающей на отработавших газах (газотурбинный наддув); от компрессора, механически связанного с двигателем, и от компрессоров, один из которых приводится в действие газовой турбиной, а другой двигателем.
7. По способу регулирования в связи с изменением нагрузки различают двигатели:
а) с качественным регулированием, в которых при постоянном количестве вводимого в цилиндр воздуха увеличивается или уменьшается количество подаваемого топлива и состав смеси изменяется;
б) с количественным регулированием, в которых состав смеси остается постоянным и меняется только ее количество;
в) со смешанным регулированием изменяются количество и состав смеси.
8. По конструкции различают:
а) поршневые двигатели; они, в свою очередь, делятся:
по расположению цилиндров на вертикальные рядные, горизонтальные рядные, V-образные, звездообразные и с противолежащими цилиндрами;
по расположению поршней на однопоршневые (в каждом цилиндре имеются один поршень и одна рабочая полость), с противоположно движущимися поршнями (рабочая полость расположена между двумя поршнями, движущимися в одном цилиндре в противоположные стороны), двойного действия (по обе стороны поршня имеются рабочие полости);
б) роторно-поршневые двигатели, которые могут быть трех типов:
ротор (поршень) совершает планетарное движение в корпусе; при движении ротора между ним и стенками корпуса образуются камеры переменного объема, в которых совершается цикл. Эта схема получила преимущественное применение;
корпус совершает планетарное движение, а поршень неподвижен;
ротор и корпус совершают вращательное движение биротор-ный двигатель.
9. По способу охлаждения различают двигатели:
а) с жидкостным охлаждением;
б) с воздушным охлаждением.
На автомобилях применяют поршневые двигатели с воспламенением от искры (карбюраторные, газовые, с впрыском топлива) и с воспламенением от сжатия (дизели), а также роторно-поршневые двигатели. Для автомобилей малой грузоподъемности иногда используются электрические двигатели, работающие от аккумуляторных батарей.
Рабочие процессы 4х тактного ДВС с искровым зажиганием
Рабочий цикл карбюраторного двигателя Такт впуска В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.
Такт сжатия Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже. Такт расширения, или рабочий ход
Незадолго до конца цикла сжатия топливо-воздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело, полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором, воздействующим на прерыватель). В современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.
Видео наглядно демонстрирует процесс работы четырехтактного двигателя
 Такт выпуска После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.
Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.
Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.
По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.
Рабочие процессы 4х тактного дизельного двигателя
Рабочий цикл дизельного двигателя Рабочие циклы четырёхтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из–за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспылённое топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.
В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом. Такт впуска При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Такт сжатия Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Такт расширения, или рабочий ход При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход. Такт выпуска Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
Понятия о характеристиках и эксплуатационных режимах работы двигателя внутреннего сгорания
Понятие о характеристиках и эксплуатационных режимов
Транспортные двигатели эксплуатируются в условиях, требующих изменения в широких пределах скоростного и нагрузочного режимов работы. Для оценки эффективности функционирования ДВС при его работе на различных режимах и при различных значениях регулировочных параметров служат характеристики двигателя.
Характеристикой ДВС называется зависимость (как правило, графическая) показателей двигателя от режима работы или от параметров, связанных с регулировкой его основных систем.
Режимы работы двигателя определяются нагрузкой ре, Nе и частотой вращения коленчатого вала п.
Характеристики, представляющие собой зависимость показателей работы двигателей от частоты вращения при неизменном положении органа управления (дроссельной заслонкой для карбюраторного двигателя с искровым зажиганием, регулятором для дизеля), называют скоростными.
Если положение органа управления соответствует максимальной подаче топлива или горючей смеси, то такая скоростная характеристика носит название внешней.
Характеристику, полученную при работе двигателя с любым постоянным промежуточным положением органа регулирования, называют частичной скоростной характеристикой.
Внешняя скоростная характеристика двигателя позволяет определить его предельные мощностные показатели и оценить экономичность на полных нагрузках. Эта характеристика является паспортной для большинства транспортных двигателей.
Нагрузочной характеристикой называется зависимость показателей двигателя от ре (или Nе) при фиксированной частоте вращения коленчатого вала. По ней определяется предельная для данной частоты вращения мощность, а также оценивается экономичность работы двигателя при различных нагрузках.
Помимо этих характеристик для поршневого ДВС на практике широко используются так называемые регулировочные характеристики, представляющие собой зависимости показателей работы двигателя от регулируемого параметра (например, коэффициента избытка воздуха, угла опережения зажигания, угла опережения впрыскивания топлива и т. д.). Данные характеристики используются для определения оптимальных параметров работы систем топливоподачи и зажигания.

Смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием
Образование топливовоздушной смеси в карбюраторных двигателях с внешним смесеобразованием, в частности с воспламенением от искры, происходит в системе впуска и предшествует воспламенению заряда. Условием образования однородной топливо-воздушной смеси является равномерное распределение паров топлива в воздухе, т. е. одинаковое соотношение между числом молекул топлива и числом окружающих их молекул кислорода воздуха во всем объеме камеры сгорания. Такое условие может быть соблюдено, если топливо и воздух образуют гомогенную топливовоздушную смесь, при этом необходимо, чтобы топливо полностью испарилось.
В карбюраторных двигателях процесс смесеобразования начинается в карбюраторе, продолжается во впускном трубопроводе и завершается в цилиндре.
Сложность получения однородной топливовоздушной смеси при внешнем смесеобразовании определяется тем, что топливо и воздух начинают смешиваться при двухфазном состоянии топлива, т. е. когда часть топлива находится в паровой фазе, а часть в жидкой.
В современных быстроходных двигателях на процесс смесеобразования отводится малый отрезок времени.
Для ускорения испарения топлива, впрыскиваемого в воздушный поток, его струя должна быть раздроблена на очень мелкие капли, с поверхности которых происходит диффузия испаряющегося топлива в воздух.
При этом осуществляются как молекулярная, так и турбулентная диффузия, т. е. происходит взаимное проникновение молекул и малых объемов топлива и воздуха. Этот процесс в некоторой степени определяется свойствами компонентов, образующих топливо-воздушную смесь, но в большей мере интенсивностью турбулентности потоков воздуха и паров топлива.
Трудность образования однородной бензовоздушной смеси заключается также и в том, что соотношение объемов компонентов (полностью испаренного бензина и воздуха) составляет примерно 1 : 50. При равных объемах смешиваемых компонентов, например при смешивании воздуха и природного газа (метана), для сжигания которого необходимо лишь в 9 раз больше количество воздуха по объему, получить однородную смесь значительно легче.
В зависимости от типа двигателей различают внешнее смесеобразование следующих видов: 1) карбюрация; 2) впрыск легкого топлива во ьпускной трубопровод, осуществленный либо непрерывной подачей топлива во впускной трубопровод, либо порциями в период, когда открыт впускной клапан; 3) форкамерно-факельное; 4) газовое.
Наибольшее распространение в двигателях с искровым зажиганием получило смесеобразование, осуществляемое методом карбюрации легкого топлива.
Процесс смесеобразования и сгорания топлива в дизельных двигателях
Процесс смесеобразования и сгорания топлива в дизельных двигателях В дизельных двигателях в отличие от карбюраторных топливо и воздух подаются приборами системы питания в камеру сгорания раздельно. Воздух поступает в цилиндр при такте впуска через впускное отверстие, а затем сжимается при движении поршня в в. м. т. Перед приходом поршня в в. м. т. (в среднем за 20° угла поворота коленчатого вала) форсунка впрыскивает в камеру сгорания под большим давлением топливо в мелкораспыленном состоянии. Образуется рабочая смесь, которая самовоспламеняется, быстро сгорает, в результате чего происходит быстрое нарастание температуры и давления и совершается рабочий ход поршня.
Влияние различных факторов на процесс сгорания в двигателях с искровым зажиганием
Состав смеси. Состав рабочей смеси (коэффициент иабытка воздуха а) влияет на скорость сгорания и количество выделяющегося тепла, что отражается па изменении давления и температуры газов в цилиндре двигателя.
Нагрузка. По мере уменьшения мощности двигателя путем дросселирования снижаются начальные и конечные давления сжатия и увеличивается степень разбавления рабочей смеси остаточными газами. Это в первую очередь приводит к существенному ухудшению условий воспламенения смеси искрой и развития в ней начального очага горения. Соответственно возрастает длительность начальной фазы 6ь и процесс сгорания делается менее устойчивым увеличивается его невоспроизводимость в отдельных циклах. В какой-то мере помогает обогащение смеси до получения значений а (0,8 и- 0,85), при которых происходит более надежное ее воспламенение искрой. Но и в этом случае обычно не удается избежать растягивания сгорания на значительную часть такта расширения и обеспечить бесперебойность зажигания при больших углах опережения, когда давления сжатия еще очень малы.
Степень сжатия. С увеличением степени сжатия е повышаются давления и температуры рабочей смеси к моменту подачи искры и уменьшается концентрация остаточных газов. При этом создаются более благоприятные условия для воспламенения смеси искрой, сокращается длительность начальной фазы сгорания; расширяются пределы возможного обеднения смеси.
Частота вращения. С возрастанием частоты вращения коленчатого вала двигателя сокращается время, отводимое на развитие процесса сгорания, и одновременно увеличивается интенсивность турбулизации рабочего заряда. В связи с этим, как уже отмечалось, скорость распространения фронта пламени в основной фазе сгорания возрастает примерно пропорционально частоте вращения, а длительность основной фазы бп, выраясенная в градусах поворота коленчатого вала, как правило, остается неизменной. Длительность начальной фазы сгорания 6i с ростом частоты вращения увеличивается.
Форма камеры сгорания. Турбулизация рабочего заряда в цилиндре, вызванная поступлением в него смеси через сравнительно узкие проходные сечения газораспределительных органов (клапаны, впускные патрубки), может быть дополнительно усилена за счет
Создание в цилиндрах завихрения рабочего заряда применением конструкций впускных патрубков, обеспечивающих тангенциальное или спиральное направление движения смеси, что сокращает длительность сгорания и улучшает степень воспроизводимости последовательных циклов.
Расслоение рабочего заряда так, чтобы в зоне свечи концентрировалась обогащенная смесь, а по мере удаления от свечи она обеднялась. Это достигается путем впрыска бензина в камеру сгорания в конце такта сжатия при соответствующим образом организованном воздушном вихре. Такой же эффект можно получить применением раз,дельного впуска в цилиндр обогащенной и обедненной смеси (вплоть до чистого воздуха). Однако в однополостных камерах трудно обеспечить оптимальные условия такого расслоения в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов.
Фазы сгорания топлива в дизельных двигателях
Процесс сгорания в дизеле рассматривается на развернутой индикаторный диаграмме
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Момент впрыска топлива в сжатый воздух (точка 1) принимают за начало процесса сгорания. Момент впрыска характеризуется углом опережения впрыска топлива (УОВТ).
В процессе сгорания дизельного двигателя выделяют четыре периода: I  период задержки воспламенения, когда осуществляются физико-химические процессы подготовки топлива к сгоранию; II  период быстрого сгорания, способствующий резкому нарастанию давления в цилиндре и заканчивающийся уже после ВМТ (участок 23), воспламенение топлива в дизеле происходит за счет повышения температуры воздуха при сжатии; III  период медленного сгорания, характеризующийся незначительным изменением давления (участок 34) в связи со снижением скорости химических реакций из-за уменьшения количества кислорода и увеличения количества продуктов сгорания; IV  период догорания топлива (участок 45), который должен быть возможно меньшим за счет создания завихрения смеси в цилиндре и правильного выбора характеристик топливоподачи.
Период быстрого сгорания характеризуется скоростью нарастания давления на каждый градус поворота коленчатого вала, которая определяет жесткость протекания процесса и жесткость работы двигателя. Среднее значение этой скорости (см. участок 23) определяется отношением
Индикаторная диаграмма

Индикаторные показатели ДВС
Совершенство тепловых процессов, происходящих в цилиндре реального автомобильного двигателя, оценивают по индикаторным показателям его действительного цикла, совершенство же двигателя в целом, с учетом потерь мощности на трение и привод вспомогательных механизмов, по его эффективным показателям.
Работа, совершаемая газами в цилиндрах двигателя, называется индикаторной работой. Индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл называется работой цикла.Она может быть определена с помощью индикаторной диаграммы, построенной по данным теплового расчета двигателя  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Площадь, ограниченная контуром a-cz'zbaрасчетной индикаторной диаграммы Ат,будет в соответствующем масштабе представлять теоретическую индикаторную работу газов в одном цилиндре за цикл. Площадь действительной диаграммыа'c'c"z"b'b"raa' будет состоять из верхней и нижней петель. ПлощадьАдверхней петли характеризует положительную работу газов за цикл. Границы этой петли не совпадают с расчетными вследствие опережения зажигания или впрыска топлива (с'сс"с'), немгновенного сгорания топлива (с"z'z"с" и z"-z-z'"z") и предварения выпуска (b'bb"b').
Уменьшение площади расчетной диаграммы по указанным причинам учитывается с помощьюкоэффициента полноты диаграммы:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Для автотракторных двигателей   значения коэффициета полноты диаграммы принимают значения  0,93...0,97.
Площадь Ан нижней петли характеризует отрицательную работу [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] затрачиваемую на насосные ходы поршня для газообмена в цилиндре. Таким образом, действительная индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
На практике величину работоспособности двигателя за цикл определяют по среднему индикаторному давлению Pi, равному полезной работе цикла, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] где Wi  - полезная работа цикла, Дж(Н м); Vh – рабочий объем цилиндра, м3.
Среднее индикаторное давление  это условно постоянное давление на поршень в течение одного хода поршня, которое совершает работу, равную индикаторной работе газов за весь цикл. Это давление в некотором масштабе выражается высотой pi прямоугольника с площадью А = Ад - Ан и с основанием, равным длине индикаторной диаграммы. Величина piпри нормальном режиме работы двигателя достигает в , бензиновых двигателях 1,2 МПа, в дизелях 1,0 МПа.
Полезную работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени, называют индикаторной мощностью и обозначают Pi. Индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл составляет (Нм)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Время цикла в секундах равно
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где n частота вращения коленчатого вала, оборотов в минуту [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  тактность двигателя (число ходов поршня за цикл).
Тогда индикаторная мощность одного цилиндра двигателя составит (Вт)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя (кВт)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- число цилиндров в двигателе; Vh объем одного цилиндра, л.
Индикаторный удельный расход топлива представляет собой отношение часового расхода топлива Gr к индикаторной мощности Рi,
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Он характеризует экономичность действительного цикла. Величина gi, при номинальном режиме работы двигателя колеблется в пределах 250...340 г/(кВт ч) для бензиновых двигателей, 175...230 г/(кВт ч) для дизелей.
Индикаторный КПД оценивает степень использования теплоты в действительном рабочем цикле и представляет собой отношение теплоты, превращаемой в индикаторную работу Wt, к теплоте, введенной в цилиндр в результате сгорания топлива.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];   [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  индикаторная мощность, кВт; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  часовой расход топлива, кг/ч; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  теплота сгорания топлива, кДж/кг.
У существующих автотракторных двигателей индикаторный КПД находится в пределах 0,25...0,4 для бензиновых двигателей, 0,38...0,50 для дизелей.
Эффективные показатели ДВС
Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. Во имя получения этой работы собственно и строят двигатели внутреннего сгорания. К числу эффективных показателей относят прежде всего эффективную мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление топлива, эффективный КПД.
Полезная, или эффективная, работа двигателя за один цикл
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где Lмп – работа механических потерь.
Разделив это выражение на рабочий объем [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] получим
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
(9.2)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] - среднее эффективное давление, т.е полезная работа, получаемая за цикл с единицы рабочего объема цилиндра.
Умножив (9.2) на [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], получим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] - эффективная мощность двигателя; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] - мощность механических потерь.
Если (9.2) умножить на [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], то получим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] - эффективный крутящий момент двигателя; Ммп – момент механических потерь.
Механический КПД двигателя
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(9.3)

Далее, используя (9.2), можно записать
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Под эффективным КПД двигателя понимают долю от всей подведенной с топливом теплоты, превращенную в полезную работу: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Далее можно преобразовать:
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
(9.4)

Удельный эффективный расход топлива или расход топлива на единицу эффективной мощности в час
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Из приведенных уравнений следует, что для обеспечения высокой эффективности и экономичности работы двигателя недостаточно достижения высоких значений рi и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Необходимо также, чтобы малыми были механические потери двигателя, в том числе потери на привод компрессора.
Работа, действительно затрачиваемая на сжатие и проталкивание 1 кг воздуха в компрессоре,
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] - степень повышения давления в компрессоре; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  адиабатный КПД компрессора, равный отношению работы при адиабатном сжатии к действительно затраченной на сжатие и проталкивание работе. Он учитывает наличие теплообмена и внутренние потери в компрессоре. Мощность привода компрессора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где Gв.с  секундная подача воздуха компрессором; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  механический КПД компрессора.
Используя зависимости (4.4) и (4.5) , выразим эффективные показатели через индикаторные:
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
(9.8)

Из (9.5) при заданных частоте вращения, количестве цилиндров и тактов можно вычислить рабочий объем цилиндра, при котором обеспечивается получение той или иной мощности. Вычисление pi производится по (4.5), рм  по уравнениям (4.8) с использованием данных табл. 4.3. По величине [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], задавшись S/D, определяют основные размеры двигателя.
В случае использования для расчета индикаторных показателей методики, кратко изложенной в п. 2.2.2, необходимо задаться размерами двигателя по прототипу. Расчет цикла даст значения рi, и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Далее определяют рм и рe. По уравнению (9.5) вычисляют рабочий объем цилиндра и далее, задавшись S/D, основные размеры двигателя. Если они существенно отличаются от принятых по прототипу, то расчет цикла повторяется.
Факторы, влияющие на индикаторные и эффективные показатели ДВС
Влияние различных факторов на эффективные показатели двигателя. Значение каждого из эффективных показателей определяется значением соответствующего индикаторного показателя и механическим КПД. Среднее давление механических потерь pмп можно уменьшить следующим образом:
правильным выбором теплового режима работы двигателя и поддержанием этого режима в процессе эксплуатации;
оптимальным конструированием двигателя и его агрегатов. Правильный выбор конструкции и размеров впускной и выпускной систем делает минимальными потери на газообмен. В эксплуатации сопротивления систем не должны изменяться. Поверхности трущихся пар сводятся к целесообразному минимуму, при котором обеспечивается надежное жидкостное трение, а силы трения имеют малые значения. К минимуму сводится также количество поршневых колец. Выбор жесткости и формы деталей, соблюдение технических условий при их изготовлении также важны для достижения надежного жидкостного трения и минимальных механических потерь. Существенное значение имеет оптимизация конструкции, размеров и частоты вращения таких вспомогательных механизмов, как вентилятор, водяной и масляный насосы:
рациональным выбором материалов и технологии изготовления деталей, что улучшает смазку трущихся пар и снижает потери на трение;
правильным выбором смазочного масла. При этом стремятся использовать масло с минимальной вязкостью, при которой обеспечиваются надежное жидкостное трение, длительная работа всех узлов двигателя при максимально возможных сроках смены и минимальном угаре масла;
использованием в дизелях однополостных камер сгорания вместо разделенных. Этим достигается снижение механических потерь в результате исключения практических потерь на перетекание заряда.
Уменьшения рпр.к добиваются оптимизацией типа, размеров, частоты вращения и характеристик компрессора под заданные расход газа и степень повышения давления. Под оптимизацией здесь понимают достижение максимально возможного значения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] во всем диапазоне режимов работы двигателя. Уменьшение затрат на привод компрессора, особенно на режимах малых нагрузок, можно обеспечить, используя перепуск воздуха или снижая частоту вращения компрессора, соединенного с двигателем с помощью регулируемой механической передачи. При применении наддува, особенно газотурбинного, механический КПД возрастает вследствие того, что рмп увеличивается в меньшей степени, чем pi. Поэтому рe повышается в большей степени, чем рi. В результате увеличения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] эффективный КПД повышается даже, когда при наддуве имеет место небольшое уменьшение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Важное значение при газотурбинном наддуве имеет КПД газотурбокомпрессора. При его увеличении достигается снижение потерь на газообмен.
Уменьшение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] при снижении нагрузки объясняется тем, что рмп мало изменяется с уменьшением нагрузки, а рi естественно, падает. Особенно резко снижается [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] в двигателях с искровым зажиганием, что связано с увеличением потерь на газообмен. При холостом ходе двигателя pi =pмп и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]= 0. С ростом частоты вращения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] уменьшается в связи с увеличением pмп.
Характер изменения основных индикаторных и эффективных показателей в зависимости от п приведен на рис. 9.2. Так как при увеличении частоты вращения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] снижается, то максимальные значения ре и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] имеют место при п, меньших тех, при которых достигаются максимальные значения pi и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Из выражения (9.8) следует, что на значение литровой мощности двигателя, оценивающей уровень форсирования двигателя, влияют pi, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], и п (на номинальном режиме) и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Возможности увеличения рi, пм, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а также применения двухтактного цикла рассмотрены ранее. Следует отметить дополнительно, что в двухтактных двигателях отсутствуют насосные потери, но имеются потери на привод компрессора, используемого для осуществления продувки очистки наполнения двигателя. В двухтактных двигателях меньше, чем в четырехтактных, потери на трение, обусловленные силами инерции, так как отсутствуют вспомогательные такты, но меньше также и значение среднего индикаторного давления. На величину [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] в большей степени влияют меньшие значения рi и потери на привод компрессора.
Системы топливоподачи двигателей с искровым зажиганием
Системы питания двигателей с искровым зажиганием



Карбюраторные системы

Система питания включает бак с датчиком указателя уровня (количества) топлива, топливопроводы, фильтр, насос (обычно диафрагменного типа) для подачи топлива из бака к карбюратору Воздух поступает в карбюратор через воздухоочиститель , который одновременно выполняет функцию глушителя шума, возникающего при впуске. С целью снижения опасности образования в системе паровых пробок иногда часть топлива, подводимого к карбюратору, перепускается обратно в топливный бак. Смесь топлива и воздуха из карбюратора подается к цилиндрам по впускному трубопроводу. Наиболее важным узлом системы является карбюратор, к которому предъявляются следующие основные требования: точное дозирование топлива, обеспечивающее получение необходимых экономических и мощностных показателей двигателя на всех режимах его работы при допустимой токсичности отработавших газов; возможность быстрого и плавного изменения режима работы двигателя; надежный и быстрый запуск двигателя; тонкое распыливание топлива.
 Характеристика простейшего карбюратора. На рис. 11.1, а приведена схема простейшего карбюратора, включающая в себя входной патрубок 1, диффузор 2, смесительную камеру 9, дроссельную заслонку 10, поплавковую камеру 4 с поплавком 7, игольчатым клапаном 6, его седлом 5 и отверстием 3, топливный жиклер 8 и трубку распылителя 11. При неработающем двигателе [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]=4...8 мм (рис. 11.1, а) для предотвращения вытекания топлива из распылителя при наклонном положении двигателя. Отверстие 3 соединяет поплавковую камеру с входным патрубком 1 и реже непосредственно с атмосферой. Сообщение поплавковой камеры с входным патрубком предотвращает обогащение смеси при повышении сопротивления воздухоочистителя в процессе эксплуатации двигателя. Так как давление в поплавковой камере всегда при работе двигателя больше, чем в диффузоре, то под действием перепада этих давлений топливо фонтанирует из распылителя 11 в поток воздуха.
Количество ТВС, подаваемой в цилиндры двигателя, регулируется дроссельной заслонкой, состав смеси изменяется при этом автоматически.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 11.1. Схема (а) и характеристика (б) простейшего карбюратора
Зависимость состава смеси от разрежения в диффузоре назы-вают характеристикой карбюратора.
Из рис. 11.1, б следует, что ТВС, которую приготавливает простейший карбюратор, обогащается с увеличением разрежения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], т. е. с ростом расхода воздуха.
Наивыгоднейшая характеристика карбюратора. Наибольшая мощность получается при использовании в карбюраторных двигателях обогащенных смесей, т. е. при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]<1,0, а наилучшая экономичность в случае сгорания смесей при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]>[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Так как с ростом при данной частоте вращения эффективность сгорания улучшается, то это приводит к соответствующему увеличению [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (рис. 11.2).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 11.2. Наивыгоднейшая характеристика карбюратора при составах смеси: 1 – экономичном; 2 - мощностном
Регулировки карбюратора по характеристике целесообразны при работе двигателя на частичных нагрузках, когда при данной частоте вращения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]<[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. При полном открытии дроссельной заслонки от двигателя требуется наибольшая мощность, поэтому состав смеси должен в этом случае определяться точкой с на кривой 2. Итак, наивыгоднейшая характеристика карбюратора при данной частоте вращения на рис. 11.2 изображается линией АВС. Эти характеристики при разных частотах вращения не совпадают, поскольку при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]=const с ростом частоты п и соответствующем прикрытии дроссельной заслонки смесь необходимо несколько обогащать.
Характеристика простейшего карбюратора не совпадает с наивыгоднейшей, так как не обеспечивает необходимого обеднения смеси с ростом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] в области частичных нагрузок.
Главная система. Автоматическое изменение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] в соответствии с наивыгоднейшей характеристикой карбюратора называюткорректированием (компенсацией) состава смеси. Оно осуществляется главной дозирующей системой. Существует ряд способов корректирования состава смеси. В подавляющем большинстве современных карбюраторов главная система работает с компенсацией состава смеси путем понижения разрежения у топливного жиклера. Она помимо главного топливного жиклера 16 имеет колодец с эмульсионной трубкой 15 и воздушный жиклер 14, через который колодец сообщается с атмосферой или с входным патрубком (рис. 11.3, а).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 11.3. Схема (а) и характеристика главной системы (б) карбюратора с понижением разрежения у жиклера
Система начинает работать, когда значение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] будет достаточно, чтобы поднять в распылителе топливо на высоту [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], т. е. при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]>[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (рис. 11.3, б). Пока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]< (h + [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]h)[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], давление воздуха в колодце равно атмосферному и карбюратор работает как простейший. При этом из распылителя, а значит, и из колодца топлива вытекает больше, чем поступает через топливный жиклер 16; следовательно, уровень в колодце понижается. Когда он опустится до верхнего радиального отверстия в трубке 15 ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]=[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) вместе с топливом в распылитель начнет из колодца поступать небольшое количество воздуха. Этот воздух перемешивается с топливом и образует эмульсию, поэтому карбюраторы с такой главной системой называют эмульсионными. Воздушный жиклер 14 ограничивает поступление эмульсирующего воздуха в колодец, и в нем появляется разрежение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Истечение топлива из жиклера теперь происходит под действием перепада [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]+[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
По мере роста [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] уровень топлива в колодце (и в эмульсионной трубке 15) понижается, открываются новые отверстия в стенке эмульсионной трубки, при этом разрежение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], также увеличивается, но медленнее, а так как истечение топлива из главного жиклера определяется в этом случае именно величиной [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], то расход топлива возрастает в меньшей степени, т. е. смесь обедняется. Таким образом, обеднение состава смеси достигается при такой главной системе не за счет добавления к смеси эмульсирующего воздуха (оно весьма мало по сравнению с общим расходом воздуха), а путем понижения перепада давления, под действием которого происходит истечение топлива через жиклер 16. Необходимой степени обеднения смеси в соответствии с наивыгоднейшей характеристикой карбюратора достигают выбором определенного сочетания размеров жиклеров 14 и 16, а также высоты h.
Система холостого хода. Истечение топлива из главной системы начинается, когда [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]=80...120 Па, однако на режимах холостого хода величина [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] намного меньше. Поэтому на холостом ходу питание двигателя осуществляется с помощью системы холостого хода.
Эта система (рис. 11.3, а) обычно связана с главной, и к жиклеру холостого хода 7 топливо поступает, пройдя через главный жиклер 16.Затем по каналам 8 и 9 оно попадает в канал 6, смешиваясь с воздухом, подсасываемым через воздушный жиклер 10. Канал 6 заканчивается отверстиями 2, 3 и 4. Отверстие 4 располагается выше кромки дроссельной заслонки, и через него к топливу подмешивается еще некоторое количество воздуха; к выходным отверстиям 3 и 2 поступает эмульсия. Винтом 5 регулируют количество эмульсии и тем самым воздействуют на состав смеси (обычно на холостом ходу [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]=0,85...1,0). Положение дроссельной заслонки 1 регулируют винтом 17, оно влияет на количество смеси и на частоту вращения на режиме холостого хода. Подбирая положение винтов 5 и 17, можно добиться устойчивой работы двигателя с малой частотой вращения. При этом следует действовать очень осторожно и избегать излишнего обогащения смеси, чтобы концентрация СО и СН в отработавших газах не превышала норм.
Когда заслонка 1 начнет открываться, то отверстие 4 окажется в зоне высоких разрежении и через него в смесительную камеру также будет поступать эмульсия, чем и обеспечивается плавный переход к работе двигателя при малых нагрузках. После еще большего открытия дроссельной заслонки вступает в работу главная система. Однако подача топлива через систему холостого хода продолжается, пока нагрузка не возрастет приблизительно до 40% и более от полной. В результате взаимодействия двух этих систем удается получить благоприятную характеристику карбюратора на малых и средних нагрузках.
Экономайзер принудительного холостого хода. При торможении автомобиля двигателем последний работает с закрытой дроссельной заслонкой и повышенной частотой вращения, получая для этого энергию от трансмиссии автомобиля. Такой режим называетсяпринудительным холостым ходом. При отсутствии специальных устройств на этом режиме выделяется большое количество токсичных веществ и возрастает расход масла.
Экономайзер принудительного холостого хода отключает подачу топлива через систему холостого хода, для чего используется электромагнитный клапан 7, перекрывающий канал непосредственно перед выходом топливовоздушной эмульсии в задроссельное пространство.
Пусковое устройство. При пуске двигателя коленчатый вал вращается с малой частотой (50...100 мин-1) и подача топлива системой холостого хода недостаточна ввиду малых разрежении в ее каналах. При холодном пуске значительное количество плохо распыленного топлива выпадает в пленку, а испаряются лишь самые легкие его фракции. Смесь оказывается сильно обедненной парами топлива, а пуск двигателей затрудняется. Надежный пуск холодного двигателя обеспечивается с помощью устройства, которое чаще всего представляет собой воздушную заслонку 13, расположенную в приемном патрубке карбюратора 12. (рис. 11.3, а). Приводы заслонок 13 и 1кинематически связаны между собой, и когда при пуске воздушная заслонка закрывается, то дроссельная, наоборот, несколько приоткрывается и вблизи распылителя главной системы создается разрежение, достаточное для подачи через нее топлива.
Автоматический предохранительный клапан 11 служит для предотвращения переобогащения смеси сразу после пуска, когда расход воздуха резко возрастает. Управление заслонкой 13, как правило, осуществляется вручную, и после пуска двигателя ее необходимо постепенно приоткрывать. Такое управление воздушной заслонкой весьма несовершенно, поэтому на современных карбюраторах применяют специальный мембранный механизм, приоткрывающий после пуска воздушную заслонку. Современные карбюраторы все чаще оборудуют системами пуска и прогрева с автоматическим управлением (например, используя биметаллические пружины и другие термочувствительные устройства), что позволяет значительно понизить токсичность ОГ на режимах пуска и прогрева.
Устройства обогащения смеси. Чтобы при полностью открытой дроссельной заслонке двигатель развил максимальную мощность, смесь необходимо обогащать (см. кривую ВС на рис. 11.2) до [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]=0,85...0,95. Эту функцию выполняют устройства обогащения, смеси  экономайзер и эконостат.
На рис. 11.4, а приведена схема экономайзера с механическим приводом. Клапан 1 перекрывает доступ топлива из поплавковой камеры к жиклеру 2 экономайзера, и только когда положение дроссельной заслонки приближается к полному открытию, клапан 1 освобождает доступ топлива к жиклеру 2. Следовательно, на режимах полной и близкой к ней нагрузок топливо в распылитель 3 поступает через два жиклера: главный 4 и экономайзера 2 (подача через него доходит до 15...20% от общего количества топлива). Своевременное открытие клапана 1обеспечивается соответствующей кинематической связью его привода с приводом дроссельной заслонки.
Для привода экономайзера применяется также более сложный пневматический привод с помощью поршневого или диафра-гменного механизма 15, связанного с задроссельным пространством карбюратора (см. рис. 11.8). Такой экономайзер включается в работу тем раньше, чем меньше частота вращения вала. Это способствует улучшению приемистости автомобиля.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 11.4. Схемы экономайзера (а) и ускорительного насоса (б)
Эконостат предотвращает переобеднение смеси главной системой при высоких расходах воздуха; в некоторых карбюраторах эконостат обеспечивает требуемое обогащение смеси при переходе к мощностным составам без экономайзера. Например, показанный на рис. 11.8 эконостат имеет распылитель 10, установленный значительно выше диффузора. Топливо к нему подводится через трубчатый жиклер 12, опущенный в поплавковую камеру. Только на режимах с большим расходом воздуха около распылителя 10 создается достаточное разрежение и через него поступает топливо.
Ускорительный насос. В случае резкого открывания дроссельной заслонки смесь, поступающая в цилиндры, может временно обедниться вследствие заполнения каналов главной системы, а также интенсивного выпадения топлива в пленку. Смесеобразование в период быстрого разгона происходит в условиях переходного теплового режима во впускной системе, поэтому на него оказывает влияние так называемая тепловая инерция впускного трубопровода. По этим причинам состав смеси, поступающей в цилиндры, может выйти за пределы воспламеняемости, что вызывает пропуски воспламенения в отдельных циклах и двигатель будет работать с «провалами», т. е. с замедленным повышением нагрузки и частоты вращения вала.
Для предотвращения подобных нарушений работы карбюра-тор снабжают ускорительным насосом (рис. 11.4, б), который чаще всего имеет механический привод от рычага 9, укрепленного на оси дроссельной заслонки 10. Когда дроссельная заслонка закрыта, поршень 7насоса находится вверху и полость под ним заполнена топливом. При резком открытии заслонки 10 пластина 5 сжимает пружину 6. Под ее воздействием поршень опускается вниз и вытесняет топливо через нагнетательный клапан 4 и распылитель 3 с жиклером 2 в зону входного патрубка 1 карбюратора. Пружина 6 способствует некоторому затягиванию впрыскивания топлива во времени. Если заслонка 10открывается медленно, то топливо при плавном опускании поршня 7 обтекает клапан 8 и поступает обратно в поплавковую камеру. При движении поршня 7 вверх нагнетательный клапан 4 закрыт, а клапан 8 открыт и топливо поступает в полость над поршнем. Ускорительный насос 3 мембранного типа показан на рис. 11.8.
Ограничитель максимальной частоты вращения. Для ограничения максимальной частоты вращения карбюраторные двигатели грузовых автомобилей снабжают специальными регуляторами (ограничителями).
В наиболее простых ограничителях используют дроссельную или специальную заслонку, размещенную между карбюратором и впускным трубопроводом. В последнем случае (рис. 11.5) заслонку 1 устанавливают эксцентрично и под небольшим углом к потоку. Открыться полностью под действием пружины 5 заслонке мешает упор 3. Скоростной напор потока смеси стремится прикрыть заслонку, но этому препятствует пружина 5. Когда частота вращения достигает заданного значения, напор потока преодолевает усилие пружины и заслонка 1 начинает прикрываться, предотвращая чрезмерное увеличение угловой скорости вала. Ограничитель настраивают с помощью винта 6 и гайки 7. Плавная работа ограничителя достигается взаимодействием эластичной тяги 4 и профилированного кулачка 2, изменяющего при повороте заслонки плечо, на которое действует пружина 5. Устойчивости работы способствует демпферное устройство 8.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 11.5. Схема пневматического ограничителя максимальной частоты вращения
Недостатком рассмотренного ограничителя является малая чувствительность при небольших расходах воздуха, т. е. при работе с малыми нагрузками, поэтому широкое применение находят более сложные пневмоцентробежные ограничители, которые действуют четче и практически во всем диапазоне нагрузок.
Многокамерные карбюраторы. Диффузор однокамерного карбюратора даже при малых расходах воздуха должен обеспечить, во-первых, тонкодисперсное распыливание топлива, а во-вторых, возможно лучшее наполнение цилиндров на режиме полного дросселя. В соответствии с первым требованием предпочтительнее уменьшать проходное сечение диффузора, а в соответствии со вторым его необходимо увеличивать.
Указанное противоречие в значительной мере снимается использованием многокамерных карбюраторов с последовательным открытием дроссельных заслонок (рис. 11.6). Конструктивно они представляют собой объединенные общей поплавковой камерой две смесительные камеры с различными или одинаковыми проходными сечениями диффузоров и приводом дроссельных заслонок, обес-печивающим при малых и средних расходах воздуха двигателя только через первичную камеру, а при больших расходах воздуха двумя камерами одновременно.
Открытие дроссельной заслонки вторичной камеры сопровождается поступлением во впускной трубопровод дополнительно массы воздуха. Так как начало истечения топлива из распылителя, главной системы вторичной камеры несколько отстает по времени ни от начала открытия дроссельной заслонки, включение вторичной камеры может сопровождаться провалом в работе двигателя, вызываемым переобеднением смеси. Для стыковки характеристик главных систем обеих камер и устранения провалов используется переходная система (рис. 11.6). Выходное отверстие А переходной системы расположено над кромкой закрытого дросселя. Как только в начале открытия дроссельной заслонки вторичной камеры отверстие переходной системы оказывается напротив кромки дросселя, т. е. в зоне высоких разрежений, из него начинается истечение бензина. При дальнейшем открытии дроссельной заслонки в работу включается главная система вторичной камеры.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 11.6. Принципиальная схема двухкамерного карбюратора с последовательным открытием дроссельных заслонок: I и II – первичная и вторичная камеры
Первичная камера имеет все системы, характерные для однокамерного карбюратора, а вторичная главную и переходную системы, а также устройства обогащения смеси и ускорительную систему.
Привод дроссельной заслонки вторичной камеры может быть механическим или пневматическим.
В первом случае вторичная камера часто имеет более богатую регулировку и, по существу, служит экономайзерным устройством. Если же первичная камера имеет экономайзер, то вторичная камера в этом случае имеет обедненные регулировки и эконостат.
При механическом приводе дроссельной заслонки вторичной камеры начало ее открытия соответствует вполне определенному углу (45...60°) поворота дросселя первичной камеры. Это является недостатком, так как для достижения качественного распыливания топлива, поступающего из главной системы вторичной камеры, ее дроссель должен открываться при малых частотах вращения позже, а при больших раньше.
Этого можно добиться использованием пневматического привода, который обеспечивает вступление в работу вторичной камеры при определенном разрежении (расходе воздуха) в первичной камере.
Например, в карбюраторе «Озон» надмембранное пространство механизма привода дроссельной заслонки связано каналом с большими диффузорами обеих камер (рис. 11.7). Мембрана соединяется с заслонкой вторичной камеры системой рычагов 3...7. Результирующее разрежение над мембраной определяется проходными сечениями воздушных жиклеров 2 и 8. С увеличением частоты вращения коленчатого вала имеет место возрастание разрежения в надмембранном пространстве. После деблокировки и достижения в диффузоре первичной камеры определенного разрежения дроссельная заслонка вторичной камеры начинает открываться благодаря перемещению вверх мембраны, преодолевающей сопротивление пружины 9. При понижении разрежения пружина возвращает мембрану и дроссель вторичной камеры в исходное положение.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 11.7. Пневматический привод дроссельной заслонки вторичной камеры
Для сглаживания возможных резких колебаний разрежения при изменении положения дроссельных заслонок служит демпфирующий жиклер 1.
Дроссельная заслонка вторичной камеры обычно начинает открываться по внешней скоростной характеристике при 1400...1600 мин-1, а при частоте вращения менее 1400 мин-1 карбюратор работает, как обыкновенный однокамерный.
При количестве цилиндров восемь и более применяют двухкамерные карбюраторы с параллельным включением камер, при этом каждая из них имеет одинаковую конструкцию и питает свою группу цилиндров. Дроссельные заслонки этих карбюраторов открываются синхронно. Такие карбюраторы позволяют улучшить равномерность распределения смеси по цилиндрам.
Четырехкамерный карбюратор представляет собой два параллельно работающих двухкамерных карбюратора с последовательным открытием дроссельных заслонок, конструктивно объединенных в едином корпусе.
Конструктивная схема карбюратора. Устройство карбюраторов отличается сложностью и разнообразием конструктивных схем. Рассмотрим в качестве примера схему карбюратора двигателя легкового автомобиля ВАЗ-2108 (рис. 11.8).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 11.8. Конструктивная схема карбюратора ВАЗ-2108
Карбюратор двухкамерный с механическим приводом дроссельных заслонок. Заслонка вторичной камеры начинает открываться при 57° открытия заслонки первичной камеры, а конец открытия обеих заслонок одновременный.
В крышке запрессованы два штуцера 13: для подвода бензина в камеру с поплавком 2 и для его частичного перепуска в бензобак. К крышке крепится также подпружиненный игольчатый запорный клапан 14. Корпус карбюратора выполнен как одно целое с обеими смесительными камерами. Главные дозирующие системы включают в себя топливные 19 и воздушные 1 жиклеры, через которые подводится воздух к эмульсионным трубкам. Распылители выведены в центр малых диффузоров. Топливный жиклер 12 переходной системы имеет форму трубки с калиброванным отверстием внизу, он дозирует топливо совместно с воздушным жиклером 11. В смесительную камеру из переходной системы топливо поступает через два отверстия.
Топливный жиклер системы холостого хода находится в электромагнитном клапане 7, который отключает подачу бензина на принудительном холостом ходу. Через воздушный жиклер 8 к бензину добавляется воздух, а эмульсия поступает в задроссельное пространство через отверстие, регулируемое винтом качества 21. Переходные режимы обеспечиваются изменением количества эмульсии, поступающей из системы холостого хода через вертикальную щель около дроссельной заслонки.
Количество смеси на холостом ходу регулируется винтом 20.
Электромагнитный клапан 7 управляется электронным блоком 6 и контактным датчиком положения дроссельной заслонки. Этот клапан прекращает подачу топлива не только на принудительном холостом ходу, но и при выключении зажигания, предотвращая работу двигателя с самовоспламенением смеси.
Экономайзер управляется мембранным клапаном 15, который каналами соединен с задроссельным пространством вторичной камеры. Количество дополнительного топлива дозируется жиклером 16, после прохождения которого оно поступает в главную систему первичной камеры карбюратора.
К распылителю 10 эконостата (вторичная камера) топливо поступает через жиклер 17. Ускорительный насос 3 мембранного типа с механическим приводом впрыскивает топливо в обе камеры карбюратора в щель между большим и малым диффузорами.
Воздушная заслонка после пуска двигателя приоткрывается мембранным механизмом 5, а в дальнейшем по мере подогрева двигателя ее открывают вручную. Для облегчения пуска горячего двигателя используется разбалансировочный клапан 4, который на холостом ходу и после остановки двигателя сообщает поплавковую камеру с атмосферой, куда удаляются пары бензина из этой камеры.
Смесительная камера подогревается жидкостью из системы охлаждения двигателя (каналы 22), это сделано для обогрева каналов системы холостого хода.
Трубки 18, 23 и 24 служат соответственно для вентиляции картера и отбора разрежении для управления вакуумкорректором и атитоксичными системами.
Карбюраторные системы сохранились лишь в двигателях устаревших конструкций. Ни одна из ведущих автомобильных фирм мира таких систем в ДВС больше не применяет.



Основные преимущества систем впрыскивания бензина перед карбюраторными заключаются в следующем:
раздельное дозирование воздуха и топлива, в результате чего одной и той же подаче воздуха может соответствовать разная подача бензина;
коррекция основной программы дозирования по многим факторам;
возможность точного дозирования смеси для нейтрализации ОГ в системах с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-зондом;
улучшение мощностных и экономических показателей двигателя на 5...15%;
встроенная диагностика.
В то же время необходимо отметить, что системы впрыскивания уступают карбюраторным по стоимости, сложности устройства и обслуживания при эксплуатации.
Наибольшее распространение в четырехтактных двигателях получили системы с впрыскиванием бензина во впускной тракт электромагнитными форсунками под давлением 0,15...0,4 МПа. Впрыскивание бензина непосредственно в цилиндр автомобильного двигателя практического применения не находит из-за неблагоприятных условий работы форсунки, трудности размещения ее в камере сгорания, а также из-за требующегося высокого давления впрыскивания (2,5...10,0 МПа).
Системы впрыскивания можно классифицировать по многим признакам, наиболее существенны из них следующие.
По способу управления дозированном бензина:
 электронные, в которых подача топлива регулируется путем изменения длительности циклического впрыскивания;
 механические с непрерывной подачей бензина через форсунки, которая изменяется специальным дозатором.
По количеству форсунок:
с индивидуальной форсункой для каждого цилиндра (распределенное впрыскивание);
с индивидуальными форсунками для каждого цилиндра и одной пусковой форсункой, общей для всех цилиндров;
с одной форсункой для всех цилиндров (центральное впрыскивание).
При распределенном впрыскивании бензина[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] топливо из бака 1 (рис. 11.9) всасывается электрическим бензонасосом 2, а затем через фильтр тонкой очистки 3 нагнетается в магистраль 6, в которой стабилизатором давления 7 поддерживается постоянный перепад давления на входе и выходе топлива из форсунок 5. Избыток топлива от стабилизатора 7 возвращается обратно в бак.
Из нагнетательной магистрали топливо через распределитель подводится к индивидуальным электромагнитным форсункам 5, подающим его в зону впускных клапанов.
Воздух поступает в цилиндры через измеритель расхода 10 и впускной трубопровод 8. Количество воздуха регулируется дроссельной заслонкой.
Электронная система управления дозированием топлива питается от аккумулятора 15 и включается в цепь при замыкании замка зажигания 16.
Сигналы измерителя расхода воздуха 10 и распределителя зажигания 13 (сигнал частоты вращения вала) обрабатываются электронным блоком управления 4, который в соответствии с заложенной в него программой выдает электрические импульсы, управляющие одновременным открытием клапанов форсунок и имеющие определенную продолжительность на каждом режиме работы двигателя. Разработаны и системы с согласованным (фазированным) впрыскиванием, в которых впрыскивание в каждый цилиндр осуществляется в одинаковой фазе цикла. Это в существенной степени выравнивает условия смесеобразования в различных цилиндрах.
Так как стабилизатор давления 7 поддерживает с точностью порядка +2 кПа постоянное избыточное давление топлива относительно давления воздуха во впускном трубопроводе, то цикловая подача топлива форсункой 5 однозначно зависит от времени, в течение которого открыт ее клапан.
Длительность впрыскивания корректируется блоком управления в зависимости от температуры охлаждающей жидкости (датчик 12), экономайзерный эффект и обогащение смеси на режимах разгона обеспечиваются по сигналам датчика 9, соединенного механически с осью дроссельной заслонки. В датчике предусмотрена также контактная пара, подающая сигнал для отключения топливоподачи на режимах принудительного холостого хода. Отключение подачи происходит при закрытой дроссельной заслонке, когда частота вращения превышает примерно 1500 мин-1, подача вновь включается при частоте вращения ниже 900 мин-1. Имеется коррекция порога отключения подачи топлива в зависимости от температурного режима двигателя.
Чтобы обеспечить устойчивую работу двигателя на холостом ходу с заданной частотой вращения, предусмотрено автоматическое регулирование количества поступающего в двигатель воздуха в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. На холостом ходу непрогретого двигателя дроссельная заслонка закрыта, а воздух поступает через верхний и нижний байпасные каналы. По мере прогрева двигателя начиная с температуры жидкости 50...70 °С регулятор дополнительного воздуха 14 прекращает подачу воздуха. После этого воздух поступает только через верхний байпас, сечение которого можно изменить винтом для регулировки частоты вращения на холостом ходу.
Система может работать по сигналам [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-зонда 11, обеспечивая поддержание стехиометрического состава смеси.
Большое значение для безотказной работы стабилизатора давления 7 и форсунок 5 имеет качественная фильтрация топлива.
Измерение расхода воздуха осуществляется термоанемометром с высокой надежностью и позволяет поддерживать постоянным состав смеси при изменении плотности воздуха. Чувствительный элемент из платиновой проволоки толщиной 70 мкм, расположенной по поперечному сечению впускного трубопровода, включен в цепь моста сопротивлений. Проволока подогревается электрическим током до постоянной температуры 150 °С. Чем больше расход воздуха, тем сильнее теплосъем с проволоки, а ток подогрева возрастает. Сила тока, пропорциональная расходу воздуха, непрерывно измеряется мостовой схемой и определяет величину расхода воздуха.
После остановки двигателя нить термоанемометра по команде блока управления кратковременно разогревается до повышенной температуры с целью очищения (выжигания) от загрязнений, которые могут искажать сигнал о расходе воздуха.
Помимо проволочного чувствительного элемента термоанемометра применяется также пленочный.
Электромагнитная форсунка. Точность дозирования и равномерность топливоподачи по цилиндрам во многом зависят от качества форсунок. Принципиальная схема электромагнитной форсунки показана на рис. 11.10. Топливо подводится к корпусу форсунки по шлангу через фильтр 7. В корпусе форсунки размещены клапан 2 с распыливающим наконечником 1 и быстродействующий электромагнит 5, концы обмотки которого выведены наружу через изолированные от корпуса контакты 6. Когда электромагнит обесточен, то пружиной 4клапан прижимается к седлу. Клапан открывается примерно на 0,1 мм, когда на контакты форсунки подается управляющий электрический импульс и магнит 5 втягивает якорь 3, соединенный с иглой 2. Однако клапан открывается и закрывается не одновременно с началом, и окончанием поступления управляющего импульса, а с некоторым запаздыванием. Время срабатывания (запаздывания открытия) и время отпускания (запаздывание закрытия) зависят не от длительности управляющего импульса, а от конструкции форсунки, в первую очередь от конструкции и материала магнитопровода, массы подвижных деталей и т. п. Чем короче время отпускания, тем выше быстродействие форсунки и меньше погрешности дозирования топлива. Разброс цикловых подач у одного комплекта форсунок может достигать ±4,0% на малых подачах и ±1,5% на больших.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 11.10. Электромагнитная форсунка
 

Топливные системы дизилей
На топливную систему возлагаются задачи: очищать топливо от механических примесей, подавать (впрыскивать) его в цилиндры в нужный момент в мелкораспыленном виде и обеспечивать распределение впрыснутого горючего по всему объему камеры сгорания для лучшего перемешивания с воздухом, а также отмеривать (регулировать) количество топлива, вводимого в цилиндры. Только при исправной топливной аппаратуре дизель работает экономично, устойчиво, без перебоев и развивает необходимую мощность. Основные элементы топливной аппаратуры  насосы высокого давления, форсунки, фильтры, нагнетательные трубопроводы вместе с топливным баком и подкачивающим насосом образуют топливную систему. Знакомство с топливной аппаратурой начнем с рассмотрения схемы топливной системы (рис. 71).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.71. Схема топливной системы дизеля
Посмотрим, как осуществляется подача топлива в цилиндры. Топливо из бака подается к топливному насосу высокого давления вспомогательным шестеренным насосом. По пути из бака оно очищается в двух фильтрах: предварительной (грубой) очистки и более тщательной (тонкой) очистки. Удаление мельчайших твердых частиц, разными путями попавших в топливо, уменьшает износ и, следовательно, увеличивает срок службы высокоточных (прецизионных) деталей насоса и форсунки. Топливный насос высокого давления приводится в действие кулачком кулачкового вала, соединенного зубчатой передачей с коленчатым валом дизеля. В четырехтактном дизеле кулачковый вал топливных   насосов  так же, как и распределительный вал газораспределения, вращается вдвое медленнее коленчатого вала, в двухтактном с той же скоростью. При набегании выступа кулачка на плунжер насоса он (плунжер), перемещаясь, выталкивает топливо по нагнетательной трубке к форсунке, из которой оно под давлением в несколько сотен атмосфер впрыскивается в камеру сгорания дизеля. От топливного насоса и форсунки, как видно из схемы, отходят трубки, по которым сливается в бак топливо, просочившееся через зазоры между деталями. Шестеренным насосом топлива подается больше, чем впрыскивается в цилиндр. Избыток топлива также по трубопроводу сливается в топливный бак. Запас топлива в баке по мере его расходования обычно через 1000 км пробега тепловоза периодически пополняется, когда тепловоз находится в пунктах экипировки. Вместимость топливного бака мощных магистральных тепловозов доходит до 5000 6000 л. Прежде чем перейти к описанию топливного насоса и форсунки, выясним, для чего нужно распыливать топливо при впрыске в цилиндры.
Системы наддува
Виды наддува
В ДВС применяют три типа наддува:
резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен)
механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя
газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.
У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.
Резонансный наддув
Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно - достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент. Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах , при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха. Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.
Механический наддув
Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.
Газотурбинный наддув
Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов.
К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува. Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения "атмосферного" двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи. Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.

Комбинированные системы
Помимо одиночных систем наддува сейчас часто встречается и двухступенчатый наддув. Первая ступень приводной компрессор обеспечивает эффективный наддув на малых оборотах ДВС, а вторая турбонагнетатель утилизирует энергию выхлопных газов. После достижения силовым агрегатом достаточных для нормальной работы турбины оборотов, компрессор автоматически выключается, а при их падении вновь вступает в действие.
Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат». Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбояме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.
Экологические характеристики
Регулировочные характеристики двигателя
Регулировочная характеристика карбюраторного двигателя по составу смеси (рис. 15.1, а) снимается при постоянном числе оборотов и неизменном положении дроссельной заслонки. Температуры охлаждающей воды и картерного масла при снятии всех характеристик поддерживаются наивыгоднейшими и неизменными. Опережение зажигания устанавливается оптимальным для каждого замера. Переменным параметром является состав горючей смеси (а), который регулируется иглой карбюратора путем изменения проходного сечения главного жиклера.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 15.1. Регулировочные характеристики двигателя по составу смеси:
а карбюраторного; б дизеля.
На характеристику наносят кривые зависимости удельных расходов топлива ge и мощности Ne от коэффициента избытка воздуха а или кривые зависимости этих параметров от часового расхода топлива GT. Из характеристики следует, что минимальные удельные расходы топлива (точка 1) и максимальная мощность (точка 2)достигаются при различных значениях [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. При полностью открытом дросселе ge min достигается при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] = 1,1 1,2, a N e max при
· = 0,80,9. По мере дросселирования коэффициенты избытка воздуха, соответствующие минимуму удельных расходов топлива и максимуму мощности, смещаются в сторону более богатых смесей,  причем сдвигge min происходит более интенсивно.
Получение максимальной мощности на обогащенных смесях объясняется в основном тем, что при
· = 0,80,9 имеет место наивысшая скорость сгорания бензовоздушной смеси.
Процесс сгорания происходит в малом объеме, и давление конца сгорания достигает больших значений; при этом уменьшаются потери тепла через стенки. Однако сгорание богатых смесей (
· < 1) сопровождается потерями тепла вследствие химической неполноты сгорания топлива. Если бы эти потери тепла отсутствовали, то минимальные удельные расходы топлива достигались бы при тех же значениях коэффициента избытка воздуха, что и максимальная мощность.
По мере обеднения горючей смеси падает скорость ее сгорания и уменьшается теплотворная способность 1 кгсмеси, что ведет к снижению мощности. Но при
· >1 отсутствуют потери тепла от химической неполноты сгорания топлива и понижается температура процессов сгорания и расширения. Поэтому тепловой баланс двигателя при
· = 1,1 1,2 складывается наиболее благоприятно, что и способствует достижению минимальных удельных расходов тепла.
Повышение удельных расходов топлива и снижение мощности двигателя на переобедненных смесях (при
· свыше 1,2) объясняются резким снижением скорости сгорания. Чрезмерное переобогащение горючей смеси (падение а ниже 0,8) также сопровождается уменьшением скорости ее сгорания и, кроме того, увеличением потерь тепла от химической неполноты сгорания; мощностные и экономические показатели двигателя при этом снижаются.
Из изложенного следует, что в процессе эксплуатации при полностью открытом дросселе коэффициент избытка воздуха должен находиться для ge min в пределах
· = 1,1 1,2 и для N e max 
· = 0,80,9.
Регулировочная характеристика дизеля по составу смеси (рис. 15.1.б) имеет тот же характер, что и у карбюраторного двигателя. Состав смеси у дизеля меняется за счет изменения количества топлива, подаваемого топливным насосом. Однако максимальная мощность (точка 3,
· = 1,04 1,1) и минимальные удельные расходы топлива (точка 1,
· = 2) в дизелях достигаются при больших значениях
· по сравнению с карбюраторными двигателями.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 15.2. Регулировочная характеристика двигателя по зажиганию.
Смещение ge min и Ne mах у дизелей в сторону более бедных смесей вызывается недостаточно совершенным протеканием процесса смесеобразования; при среднем
· >1 в некоторых частях камеры сгорания дизеля горючая смесь может иметь
·< 1 и сгорать не полностью.
Начало неполного сгорания топлива, сопровождаемое видимым дымлением на выхлопе, начинается в точке 2,которая носит название предела дымления. При сильном дымлении наблюдается перегрев двигателя, коксование масла, обильное отложение нагара и т. п. Величина коэффициента избытка воздуха, при котором появляется дымление, так же как и величины его, соответствующие ge min и Ne max, зависит от конструкции дизеля. Коэффициент избытка воздуха в точке 2 может изменяться в пределах 1,251,6, мощность дизеля в этой точке примерно на 10% меньше, чем мощность в точке 3.
В эксплуатации коэффициент избытка воздуха не должен выходить за пределы дымления.
Регулировочная характеристика по зажиганию (рис. 15.2) снимается при постоянном числе оборотов коленчатого вала и определенном положении дроссельной заслонки. Состав горючей смеси при снятии характеристики не должен изменяться. На характеристику наносят кривые зависимости эффективной мощностиNe и удельного расхода топлива ge от угла опережения зажигания
·o.
Снижение мощности и увеличение удельных расходов топлива при углах опережения зажигания, меньших наивыгоднейшего, объясняется тем, что по мере уменьшения
·o процесс сгорания все больше и больше переносится на такт расширения. Это сопровождается увеличением потерь тепла в охлаждающую воду и с выхлопными газами. Увеличение угла опережения зажигания свыше наивыгоднейшего сопровождается появлением детонации, ведущей к снижению мощностных и экономических показателей.
Регулировочная характеристика по углу предварения подачи топлива снимается при постоянном числе оборотов коленчатого вала и неизменном положении рейки топливного насоса. На характеристику наносят те же зависимости, что и на регулировочную характеристику по зажиганию карбюраторного двигателя, но по оси абсцисс откладывают величину предварения подачи топлива. Обе эти характеристики имеют примерно одинаковый вид. Снижение мощностных и экономических показателей при слишком раннем впрыске топлива объясняется тем, что оно попадает в воздух, имеющий сравнительно малое давление и температуру, поэтому период задержки воспламенения топлива имеет значительную величину. Это ведет к скоплению в цилиндрах к моменту самовоспламенения больших порций топлива. Сгорание в таких условиях протекает с резким нарастанием давления, сопровождающимся ухудшением теплоиспользования и уменьшением механического к. п. д. двигателя. Кроме того, при малом давлении в цилиндре и большом периоде задержки воспламенения частицы топлива до их сгорания успевают достичь стенок камеры сгорания или днища поршня. Осевшие капельки топлива сгорают не полностью, что, в свою очередь, снижает показатели двигателя.
Поздний впрыск топлива приводит к смещению процесса сгорания на часть такта расширения. При этом увеличиваются потери тепла в охлаждающую воду и с продуктами сгорания.
Скоростные характеристики двигателя
Скоростные характеристики подразделяются на внешние и частичные. Внешняя характеристика снимается при полном открытии дросселя (карбюраторные двигатели) или при положении рейки топливного насоса, доведенной до упора (дизели). Частичные характеристики снимаются при неполных открытиях дросселя или при положениях рейки топливного насоса, не доведенной до упора. Изменение числа оборотов при снятии этих характеристик достигается за счет изменения нагрузки.
Внешняя характеристика карбюраторного двигателя (рис. 15.3, а, б) снимается при эксплуатационной регулировке карбюратора. Угол опережения зажигания устанавливается наивыгоднейшим для каждой точки характеристики. На характеристику наносят кривые зависимости эффективной мощности Ne , крутящего моментаМе , часового GT и удельного ge расходов топлива от числа оборотов.
Эффективная мощность двигателя вначале увеличивается примерно пропорционально возрастанию числа оборотов коленчатого вала, затем приращение мощности становится замедленным и при числе оборотов, равном nе , мощность достигает максимума. Мощность, развиваемая двигателем, в основном определяется количеством тепла, выделенного при сгорании топлива в цилиндрах в единицу времени. Для выяснения причин, обусловливающих указанную зависимость мощности от числа оборотов, рассмотрим характер изменения весового наполнения двигателя в единицу времени. По мере увеличения числа оборотов снижается давление впуска и уменьшается коэффициент наполнения . Однако рост чисел оборотов до определенного значения (nG ) сопровождается увеличением весового наполнения двигателя в единицу времени, а следовательно, и часового расхода топлива, так как в этом диапазоне уменьшение коэффициента наполнения сравнительно невелико и полностью компенсируется увеличением числа всасываний в единицу времени. При числе оборотов, большем nG  весовое наполнение падает, т. е. значительное снижение наполнения за цикл уже не может компенсироваться ростом числа оборотов.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 15.3. Внешние характеристики карбюраторного двигателя:
а без ограничителя оборотов; б с ограничителем максимальных чисел оборотов.
Изменение индикаторной мощности двигателя примерно соответствует изменению весового наполнения в единицу времени. Однако на малых числах оборотов индикаторная мощность падает более резко. Это объясняется замедленным протеканием процесса сгорания ввиду недостаточно интенсивного вихреобразования и большой теплоотдачей через стенки цилиндра (газы в процессе сжигания и расширения длительное время соприкасаются с охлаждающей поверхностью). Эффективная мощность двигателя равна разности между индикаторной мощностью и мощностью трения; последняя с увеличением числа оборотов резко возрастает; поэтому максимум эффективной мощности достигается при меньших числах оборотов, чем максимум индикаторной мощности (nG 
·1,4ne ).
При возрастании чисел оборотов свыше nе эффективная мощность снижается и при разносных числах оборота становится равной 0. Следовательно, при этих числах оборотов индикаторная мощность, развиваемая двигателем, целиком затрачивается на преодоление механических потерь. Разносные числа оборотов примерно в 1,52 раза больше оборотов, соответствующих максимальной мощности. Следует указать, что разносные числа оборотов практически недостижимы, так как детали двигателя не рассчитываются для работы на этом режиме. В эксплуатационных условиях двигатели легковых автомобилей могут развивать обороты, несколько превышающие nе , а двигатели грузовых автомобилей и тракторов работают в диапазоне до перегиба внешней характеристики.
Удельные расходы топлива ge имеют большие значения на малых числах оборотов вследствие замедленного протекания процесса сгорания и большой теплоотдачи через стенки цилиндра.
На средних числах оборотов (ng ) удельные расходы топлива достигают минимальных значений ввиду уменьшения относительной теплоотдачи через стенки цилиндра и увеличения скорости сгорания. Повышение числа оборотов свыше ng сопровождается ухудшением экономических показателей двигателя, вызываемых в основном резким возрастанием механических и тепловых потерь.
Величина крутящего момента двигателя Ме является функцией среднего эффективного давления ре:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где Vh  рабочий объем одного цилиндра;
i    число цилиндров;

·   тактность двигателя.
Поэтому Мe следует примерно за изменением коэффициента наполнения, падая более резко на высоких числах оборотов ввиду возрастания механических потерь и на малых скоростных режимах вследствие ухудшения использования тепла топлива. Максимальных значений крутящий момент достигает при числах оборотов nм 
· 0,5 nN.
Карбюраторные двигатели почти всех современных грузовых автомобилей снабжаются ограничителями максимальных чисел оборотов.
Нагрузочные характеристики
Нагрузочная характеристика карбюраторного двигателя (рис. 15.6,а) снимается при эксплуатационной регулировке карбюратора на постоянном числе оборотов и переменном открытии дроссельной заслонки. Угол опережения зажигания для каждой точки характеристики устанавливается наивыгоднейшим. На характеристику наносят кривые зависимости часового GT и удельного ge расходов топлива от процента мощности (за 100% принимается мощность при полностью открытом дросселе).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. !5.6. Нагрузочные характеристики двигателя:
а карбюраторного; 6 дизеля.
По оси абсцисс может откладываться также абсолютное значение мощности или среднее эффективное давление.
Увеличение часовых расходов топлива по мере роста мощности двигателя не вызывает сомнений.
Увеличение удельных расходов топлива при уменьшении мощности объясняется следующими причинами:
1. С уменьшением мощности уменьшается весовое наполнение двигателя, так как дроссельная заслонка прикрывается. При этом увеличивается количество остаточных газов, что ведет к ухудшению протекания процесса сгорания.
2. Поскольку абсолютная величина механических потерь определяется в основном скоростным режимом двигателя, то на всем диапазоне снятия нагрузочной характеристики она остается практически постоянной. Однако с уменьшением индикаторной мощности, развиваемой двигателем, относительная величина механических потерь растет.
3. По мере прикрытия дроссельной заслонки растут насосные потери.
4. Увеличиваются относительные тепловые потери в охлаждающую среду. По абсолютной величине тепловые потери остаются практически постоянными, так как при постоянном числе оборотов время соприкосновения горячих газов со стенками цилиндров и головкой остается постоянным. Однако общее колличество тепла, выделяемого при сгорании топлива, по мере прикрытия дроссельной заслонки уменьшается. Изменение характера протекания кривых часового и удельного расходов топлива при дроссельной заслонке, открытой свыше 7580%, объясняется включением экономайзера.
Нагрузочная характеристика дизеля (рис. 15.6,6) снимается при постоянном числе оборотов и переменном положении рейки топливного насоса. Вначале при увеличении подач топлива удельные расходы топлива уменьшаются и в точке 1 достигают минимальных значений. Это объясняется в основном снижением относительной величины механических потерь. В диапазоне между точками 1 и 2 удельные расходы топлива незначительно возрастают вследствие ухудшения процесса сгорания (ввиду уменьшения коэффициента избытка воздуха). Точка 2 лежит на границе начала дымления. За точкой 2 происходит довольно резкое ухудшение экономических показателей двигателя, вызываемое все усиливающимся недогоранием топлива. Однако при этом мощность двигателя продолжает увеличиваться. После достижения коэффициентом избытка воздуха значений, соответствующих максимальному среднему эффективному давлению (точка 3),происходит перегиб кривых ge =  f (% N) и GT = f ( % N). Несмотря на увеличение подачи топлива, процесс сгорания настолько ухудшается, что происходит снижение мощности.
Характеристика холостого хода (рис. 15.7) снимается только на карбюраторных двигателях и представляет собой кривую изменения часового расхода топлива в зависимости от числа оборотов при работе двигателя без нагрузки.
Регулировка карбюратора устанавливается такой, чтобы при устойчивой работе двигателя обеспечивался минимальный расход топлива.
Рис. 15.7. Характеристики холостого хода двигателя.

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Тепловой баланс
Тепловые нагрузки на детали и их тепловая напряженность

Под тепловой нагрузкой понимают значение удельного теплового потока, передаваемого от рабочего тела к поверхности детали. Теплота передается от РТ к поверхности деталей радиацией и теплоотдачей.
Роль радиации особенно велика в дизелях с тем, что в них имеет место преимущественно диффузионное горение, сопровождающееся обильным образованием и последующим –частичным выгоранием сажи. Содержание в пламени сажи является причиной высокой степени его черноты, а поэтому высокой излучательной способности пламени. Согласно измерениям, температура дизельного пламени превышает значения средней по объему термодинамической температуры, наибольшие значения которой для номинального режима составляют 1800-2200 К, а для теплоты, передаваемой излучением, составляет 45-50 % от общего теплообмена.
Интенсивность теплоотдачи определяется локальными условиями смесеобразования и тепловыделения зависит от движения заряда, инициируемом при сгорании, а также распределением сгорающего топлива по объему камеры сгорания, зависящее от количества и расположения топливных струй, размеров и конфигурации камеры сгорания. Последние факторы определяют локальную температуру заряда.
Известно, что наибольшая часть теплоты передается в период интенсивного сгорания. Так, примерно за 1/10 времени цикла (от 100 до ВМТ до 600 после ВМТ) от заряда к стенкам деталей передается до 70 % всей теплоты, теряемой за цикл в четырехтактном дизеле автотракторного типа. Если определить теплоту, передаваемую за отдельные циклы такта, то окажется, что основная часть теплоты передается за такт расширения (рабочий ход) – до 90%. Доля теплообмена за такт выпуска в большинстве случаев не превышает 10%.
Рис. 10.1 иллюстрирует неравномерность распределения средней по времени тепловой нагрузки по поверхностям различных деталей (тепловой поток изменяется в 2,3-3,5 раза). Максимальное значение тепловой нагрузки в автотракторных дизелях с наддувом на номинальном режиме достигает 600 кВт/м2 и более.
В дизелях с камерой сгорания в поршне неравномерность распределения тепловой нагрузки растет при уменьшении относительного диаметра камеры сгорания. В дизелях с разделенными камерами сгорания неравномерность распределения удельного теплового потока выше, чем в дизелях с неразделенной камерой сгорания. Тепловая нагрузка определяется степенью форсирования (литровой мощностью) и возрастает при увеличении нагрузки, частоты вращения, рк, и Тк. При заданной внешней нагрузке уменьшения тепловой нагрузки можно достигнуть повышением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] путем соответствующего выбора системы наддува и введения промежуточного охлаждения наддувочного воздуха. С ростом угла опережения впрыскивания (зажигания) тепловая нагрузка также увеличивается вследствие повышения максимальных давления и температуры цикла.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 10.1. Распределение тепловой нагрузки по деталям дизеля: а – поршень; б – головка цилиндра; в – гильза цилиндра; Rx – расстояние до зоны измерения от оси цилиндра R = D/2; lгх – расстояние до зоны измерения от верхнего торца гильзы; lг – длина гильзы
С течением времени после начала эксплуатации нового или отремонтированного двигателя тепловые потоки, передаваемые от РТ к деталям, уменьшаются вследствие отложения на деталях продуктов неполного окисления, крекинга и полимеризации смазочного масла и топлива. В дальнейшем наблюдается тенденция к стабилизации передаваемых потоков.
При работе на переменных (неустановившихся) режимах передаваемые от РТ к детали тепловые потоки изменяются не только в течение каждого цикла, но также от цикла к циклу. Резкое изменение средних за цикл тепловых нагрузок во времени вследствие разгона, нагружения, разгрузки, остановки двигателя известно под названием теплового удара. Характер и частота тепловых ударов оказывают влияние на надежность работы двигателя.
Термин тепловая напряженность используется для выражения комплекса явлений, связанных с тепловым состоянием деталей двигателя. Тепловое состояние деталей влияет на прочностные характеристики материалов, из которых они изготовлены, на интенсивность отложений на деталях, на условия их смазки, трения, износа, а также на напряжения в деталях. Из опыта известно, что для предотвращения потери подвижности кольца в канавке вследствие отложений кокса температура вблизи канавки под верхнее кольцо не должна превышать 220 °С. Для предотвращения интенсивного закоксовывания отверстий распылителя температура его носика не должна превышать 180...200 °С. Эти цифры следует рассматривать как ориентировочные, так как интенсивность отложений зависит не только от температуры, но также от конструкции деталей, других (кроме температурных) условий их работы, качества материалов (в том числе топлива и смазочного масла), технологии обработки деталей и т. д.
Температура деталей влияет на рабочую температуру смазочного масла, а следовательно, на его вязкость, толщину слоя смазки, разделяющего детали трущейся пары, характер трения. Последний вместе с износными характеристиками материалов, которые также зависят от температурного состояния деталей, определяет темп износа.
Для ряда деталей определяющую роль играют термические напряжения, и при критическом их уровне деталь выдерживает недостаточное количество тепловых ударов, что ограничивает срок ее службы.
Степень форсирования дизеля наддувом также ограничивается тепловой напряженностью его деталей. Наиболее теплонап-ряженными являются головка цилиндра и поршень. Тепловое состояние гильзы цилиндра также важно, так как оно существенно влияет на тепловое состояние поршня.
Наиболее велики тепловые нагрузки в центральной части головки цилиндра. Тепловые нагрузки на поршень несколько ниже, а на гильзу цилиндра меньше, чем на головку, в 4...5 раз. Неравномерное распределение тепловой нагрузки на детали вместе с неодинаковым термическим сопротивлением различных зон деталей имеет следствием неравномерное распределение температуры в деталях. Так, перепады температуры вблизи «огневой» поверхности чугунной головки цилиндра могут достигать 180 °С, поршня из алюминиевого сплава 100 °С, чугунной гильзы 70 °С. Практические испытания показали, что максимальная температура чугунной головки цилиндра и поршня из алюминиевого сплава не должна превышать 350 °С, головки цилиндра из алюминиевого сплава 240 °С, гильзы цилиндра 160...180 °С.
Для гильзы цилиндра ограничивается и минимальная температура в связи с ее влиянием на условия конденсации водяного пара, особенно при применении топлив, содержащих серу.
Конструкциям деталей, применяемым материалам и условиям охлаждения соответствуют конкретные допустимые уровни тепловых нагрузок.
В последние годы предпринимаются попытки обеспечения надежной работы двигателей с пониженным отводом теплоты при существенно более высокой температуре поверхности гильзы цилиндра и использовании специальных смазочных материалов.
Существенному снижению температуры поршня, особенно критических его зов, способствует применение охлаждаемых конструкций. Снижению температуры и градиентов температур в деталях способствуют теплоизолирующие покрытия. При этом высокими оказываются температуры и градиенты температур в самом покрытии, отсюда повышенные требования к их свойствам.
При конструировании систем охлаждения стремятся к увеличению интенсивности охлаждения наиболее нагретых участков без увеличения общего количества отводимой в систему теплоты. В частности, заметного снижения температуры в перемычке между клапанами головки цилиндра можно достигнуть, используя для подвода жидкости сверленые каналы.
В процессе эксплуатации тепловая напряженность двигателя может возрасти вследствие:
эксплуатации дизеля в условиях высокогорья или чрезмерно высоких температур окружающей среды;
отложения накипи в рубашках охлаждения двигателей с жидкостным охлаждением или загрязнения оребрения двигателей с воздушным охлаждением;
нарушений в нормальном протекании процесса сгорания вследствие использования топлив с несоответствующими двигателю физико-химическими и моторными свойствами и несоблюдения оптимальных регулировок систем питания, впрыскивания и зажигания.
При необходимости эксплуатации дизелей в условиях пониженной плотности воздуха целесообразно в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя пересмотреть величину предельной подачи топлива. В эксплуатации очень важно сохранять неизменными тепловую эффективность и гидравлические сопротивления охладителя наддувочного воздуха. Для этого, в частности, необходимо избегать заметных отложений в элементах системы охлаждения.
Безопасные предельные степени форсирования дизеля наддувом в большой мере зависят от принятого способа смесеобразования или типа камеры сгорания. При большой величине dкс/D камеры сгорания обеспечивают более равномерное распределение тепловой нагрузки по их поверхности и, как следствие, снижение перепадов температуры. Это обеспечивает возможность достижения более высокой степени форсирования наддувом без превышения максимально допустимых температур деталей.

Тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс двигателя, или внешний тепловой баланс представляет собой определенное опытным путем распределение теплоты, вводимой в двигатель с топливом, на полезно используемую теплоту и отдельные виды потерь:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  количество теплоты, вводимой в двигатель с топливом за определенный отрезок времени, например за 1 ч: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  количество теплоты, превращенной в полезную работу; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  количество теплоты, передаваемой охлаждающей жидкости; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], здесь сохл, Gохл удельная теплоемкость и расход охлаждающей жидкости; tвых и tвх  температура охлаждающей жидкости соответственно на выходе и входе системы; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  количество теплоты, передаваемой смазочному маслу (этот член теплового баланса выделяется обычно при наличии на двигателе автономного теплообменника для охлаждения смазочного масла и определяется аналогично [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], в большинстве случаев [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] включается в остаточный член теплового баланса); [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  потеря теплоты с ОГ; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] - теплота, не выделившаяся в двигателе вследствие неполноты сгорания. Для ее определения необходимо знать состав продуктов сгорания и теплоту сгорания каждого из продуктов неполного окисления топлива. При [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]>1 этот член не определяется и соответствующая ему часть теплоты включается в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]< 1 можно вычислить количество теплоты, которое теоретически не может выделиться из-за недостатка воздуха, по выражению [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. При этом теплота, соответствующая разнице между [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] также включается в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] кроме [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] входит также теплота, рассеиваемая в окружающую среду внешними поверхностями двигателя и его агрегатов, а также теплота, соответствующая
 кинетической энергии ОГ. На величину [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], естественно, влияет погрешность определения составляющих теплового баланса. Теплоту [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] используют при расчете систем охлаждения, смазки и наддува.
По величине [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] можно судить о степени неполноты сгорания и наметить пути повышения теплоиспользования, по величине же [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  лишь ориентировочно о резервах повышения теплоиспользования путем более рационального охлаждения деталей. Последнее связано с тем, что в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] входит не только теплота, передаваемая от газов в цилиндре (уменьшением которой можно повысить [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), но и теплота, передаваемая от газов охлаждающей жидкости и в выпускном канале (а в случае охлаждаемого выпускного трубопровода и в трубопроводе), а также значительная часть теплоты, соответствующей механическим потерям (остальная часть последней передается через масло и рассеивается наружными поверхностями двигателя). На величину [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] влияет не только общее количество теплоты, переданной от РТ охлаждающей жидкости, но и зависимость этих потерь от положения поршня. Поэтому для анализа влияния на [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] тепловых потерь привлекается внутренний тепловой баланс, дающий представление о динамике этих потерь и преобразования теплоты в работу.
Тепловой баланс можно определить в процентах от всего количества введенной теплоты. Тогда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] и т. д.
Как видно из графика (рис. 10.2, а), на режиме полной нагрузки наиболее весомыми членами теплового баланса являются потери с ОГ и полезно используемая теплота (здесь qн.с включено в qост). Доля теплоты, передаваемой охлаждающей жидкости, меньше. Это связано частично с тем, что объектом рассмотрения является дизель с наддувом.
Потеря qохл уменьшается с ростом нагрузки и частоты вращения. Последнее связано с преобладающим влиянием уменьшения времени теплообмена. Доля потерь с ОГ мало зависит от нагрузки и, как правило, увеличивается с ростом п. На характер qгаз = f(n), естественно, влияет уменьшение времени охлаждения продуктов сгорания с ростом п. Характер изменения qм с режимом работы можно объяснить изменением доли индикаторной работы, затрачиваемой на механические потери. Теплота [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] мало зависит от режима работы, поэтому qост возрастает при уменьшении частоты вращения и особенно нагрузки двигателя.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 10.2. Тепловой баланс автотракторного дизеля с газотурбинным наддувом: а – в функции мощности при n = const; б – в функции частоты вращения при расположении рейки топливного насоса на упоре

Кинематика КШМ
Кинематика кривошипно-шатунного механизма
При изучении кинематики КШМ предполагают, что коленчатый вал двигателя вращается с постоянной угловой скоростью ?, отсутствуют зазоры в сопряженных деталях, и механизм рассматривают с одной степенью свободы.
В действительности из-за неравномерности крутящего момента двигателя угловая скорость переменна. Поэтому при рассмотрении специальных вопросов динамики, в частности крутильных колебаний системы коленчатого вала, необходимо учитывать изменение угловой скорости.
Независимой переменной принимают угол поворота кривошипа коленчатого вала ?. При кинематическом анализе устанавливают законы движения звеньев КШМ, и в первую очередь поршня и шатуна.
За исходное принимают положение поршня в верхней мертвой точке (точка В1) (рис. 1.20), а направление вращения коленчатого вала по часовой стрелке. При этом для выявления законов движения и аналитических зависимостей устанавливают наиболее характерные точки. Для центрального механизма такими точками являются ось поршневого пальца (точкаВ), совершающая вместе с поршнем возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, и ось шатунной шейки кривошипа (точка А), вращающаяся вокруг оси коленчатого валаО.
Для определения зависимостей кинематики КШМ введем следующие обозначения:
l – длина шатуна;
r – радиус кривошипа;
? – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Для современных автомобильных и тракторных двигателей величина ? = 0.25–0.31. Для высокооборотных двигателей с целью уменьшения сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс применяют более длинные шатуны, чем для малооборотных.
? – угол между осями шатуна и цилиндра, величина которого определяется по следующей зависимости:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Наибольшие углы ? для современных автомобильных и тракторных двигателей составляют 12–18°.
Перемещение (путь) поршня будет зависеть от угла поворота коленчатого вала и определяться отрезком Х (см. рис. 1.20), который равен:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1.20. Схема центрального КШМ
Из треугольников А1 АВ и ОА1А следует, что
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Учитывая, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], получаем:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Из прямоугольных треугольников А1АВ и А1ОА устанавливаем, что
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Откуда [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Так как
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
то, подставив полученные выражения в формулу для перемещения поршня, получим:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Так как [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]то
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Полученное уравнение характеризует движение деталей КШМ в зависимости от угла поворота коленчатого вала и показывает, что путь поршня можно условно представить состоящим из двух гармонических перемещений:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– путь поршня первого порядка, который имел бы место при наличии шатуна бесконечной длины;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– путь поршня второго порядка, т. е. дополнительное перемещение, зависящее от конечной длины шатуна.
На рис. 1.21 даны кривые пути поршня по углу поворота коленчатого вала. Из рисунка видно, что при повороте коленчатого вала на угол, равный 90°, поршень проходит больше половины своего хода.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1.21. Изменение пути поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала
Скорость поршня определяется как первая производная пути поршня по времени:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– угловая скорость вращения вала.
Скорость поршня можно представить в виде суммы двух слагаемых:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– гармонически изменяющаяся скорость поршня первого порядка, т. е. скорость, с которой двигался бы поршень при наличии шатуна бесконечно большой длины;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– гармонически изменяющаяся скорость поршня второго порядка, т. е. скорость дополнительного перемещения, возникающая вследствие наличия шатуна конечной длины.
На рис. 1.22 даны кривые скорости поршня по углу поворота коленчатого вала. Значения углов поворота коленчатого вала, где поршень достигает максимальных значений скорости, зависят от ? и ее увеличением смещаются в стороны мертвых точек.
Для практических оценок параметров двигателя используется понятие средней скорости поршня:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Для современных автомобильных двигателей Vср = 8–15 м/с, для тракторных – Vср = 5–9 м/с.
Ускорение поршня определяется как первая производная пути поршня по времени:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1.22. Изменение скорости поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала
Ускорение поршня можно представить в виде суммы двух слагаемых:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– гармонически изменяющееся ускорение поршня первого порядка;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– гармонически изменяющееся ускорение поршня второго порядка.
На рис. 1.23 даны кривые ускорения поршня по углу поворота коленчатого вала. Анализ показывает, что максимальное значение ускорения имеет место при нахождении поршня в ВМТ. При положении поршня в НМТ величина ускорения достигает минимального (наибольшего отрицательного) противоположного по знаку значения и абсолютная величина его зависит от ?.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис 1.23. Изменение ускорения поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала
силы кшм
Силы, действующие на поршневой палец, шатунные и коренные шейки
Разложим суммарную силу P, приложенную к оси поршневого пальца, на две составляющие силы (рис. 1.27а). Первая сила направлена по оси шатуна и равна:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Вторая сила перпендикулярна оси цилиндра и равна:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Графики сил PШ, N и Р по углу поворота коленчатого вала представлены на рис. 1.27б.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
а б
Рис. 1.27. Схема сил (а) и графики сил (б), действующих на поршневой палец
Перенесем силу Pш, действующую по оси шатуна, в центр шатунной шейки и затем разложим ее на две составляющие: касательную силу Т и перпендикулярную силу Z (рис 1.28а).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
а б
Рис. 1.28. Схема сил (а) и графики сил (б), действующих на шатунной шейке
Сила, действующая по оси кривошипа, равна:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Касательная сила определяется формулой:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Произведение силы Т на радиус r называют крутящим моментом двигателя:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Графики сил T и Z по углу поворота коленчатого вала представлены на рис. 1.28б.
Кроме указанных выше сил на шатунную шейку действует, по радиусу кривошипа, сила инерции вращающихся масс Pr.
Приложим к центру коленчатого вала (точка О) (рис. 1.29) две взаимно противоположные силы Р'ш и Р''ш,, равные и параллельные силе Рш.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1.29. Схема сил, действующих на коренной шейке
Силы Рш и Р''ш составят пару сил, момент которой на плече h равен:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Тогда момент пары этих сил определяется формулой:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Он равен крутящему моменту двигателя Мк.
Разложим силу Р'ш на две составляющие силы:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Сила Р' действует на опорную раму двигателя, силы же N и N' составят пару сил с плечом H, равным:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Тогда момент определяется формулой:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Он стремится опрокинуть двигатель и называется реактивным моментом двигателя.
Реактивный момент всегда равен крутящему моменту двигателя, но противоположен ему по направлению.
Неравномерность хода двигателя
1.5. Уравновешивание двигателей внутреннего сгорания
Силы, возникающие при работе автомобильных и тракторных двигателей, можно разделить на два вида: уравновешенные и не-уравновешенные.
Уравновешенными силами называют силы, равнодействующая которых по отношению к опорам двигателя равна нулю и которые при их суммировании не дают свободного момента. К таким силам относятся силы давления газов в цилиндре двигателя и силы трения.
К неуравновешенным силам относят силы, которые передаются на опоры двигателя: вес двигателя, реакции выпускных газов и движущихся жидкостей, центробежные силы инерции вращающихся масс двигателя, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс двигателя, касательные силы инерции вращающихся масс, возникающие вследствие непостояннойугловой скорости вращения коленчатого вала.
Во всех поршневых двигателях имеет место также переменный реактивный момент, при любом положении коленчатого вала равный по величине, но противоположный по направлению крутящему моменту двигателя. В обычных автомобильных и тракторных двигателях реактивный момент уравновесить невозможно и во время работы он всегда передается на раму автомобиля или трактора.
Неуравновешенные силы, переменные по величине и направлению, могут вызвать вибрации, как двигателя, так и всего автомобиля или трактора, причем наибольшие сотрясения вызываются силами инерции вращающихся и поступательно движущихся масс двигателя.
С увеличением равномерности крутящего момента двигателя вибрации двигателя, зависящие от реактивного момента, уменьшаются.
Неуравновешенные силы, постоянные по величине и направлению, вибраций двигателя не вызывают.
Вибрации двигателя при недостаточной жесткости его деталей могут возникнуть также под действием переменных сил давления газов. Эти вибрации устраняются увеличением жесткости деталей двигателя. Для устранения отрицательных последствий, связанных с наличием вибраций, двигатель должен быть динамически уравновешен.
В уравновешенном двигателе при установившемся режиме работы силы и моменты сил, передаваемые на его опоры, постоянны по величине и направлению или равны нулю.
Уравновешивание современных автомобильных и тракторных двигателей можно осуществить двумя способами:
расположением определенным образом цилиндров и выбором такой кривошипной схемы коленчатого вала, чтобы переменные силы инерции и их моменты взаимно уравновешивались;
созданием с помощью дополнительных масс (противовесов) новых сил, в любой момент времени равных по величине, но противоположных по направлению основным уравновешиваемым силам.
Очень часто оба эти способа применяются одновременно.
Далее рассматриваются способы уравновешивания лишь наиболее значительных сил и их моментов, к числу которых относятся:
P1j – гармонически изменяющаяся сила инерции первого порядка от возвратно-поступательно движущихся масс;
P2j – гармонически изменяющаяся сила инерции второго порядка от возвратно-поступательно движущихся масс;
Рr – центробежная сила инерции неуравновешенных вращающихся масс;
M1 – свободный момент от сил инерции первого порядка;
М2 – свободный момент от сил инерции второго порядка;
Mr – свободный момент от сил инерции вращающихся масс.
Особенно значительные вибрации могут вызываться неравномерным реактивным моментом и гармонически изменяющимися силами инерции и их моментами при резонансе, т. е. в случае, если частоты этих сил или моментов становятся равными частоте собственных колебаний двигателя на опорах.

Отрицательная работаДействительная индикаторная работа газовИндикаторная мощность многоцилиндрового двигателяИндикаторный КПДИндикаторный КПД Заголовок 1 Заголовок 4 Заголовок 515

Приложенные файлы

  • doc 9579912
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий