Зовнішня швидкісна характеристика двигуна

На сьогодні, незважаючи на інтенсивні пошуки іншого джерела енергії (паливні елементи, акумуляторні джерела живлення та ін.), на автомобілях використовуються поршневі двигуни внутрішнього згорання. Величина його потужності залежить від частоти обертання колінчастого вала, кількості і складу пальної суміші в циліндрах тощо. При дослідженні тягово-швидкісних властивостей зміну потужності розглядають залежно від частоти обертання колінчастого вала, вважаючи, що інші параметри є оптимальними, тобто використовують швидкісну характеристику двигуна. Швидкісною характеристикою називають залежність зміни ефективної потужності N_е і ефективного крутного моменту М_е від частоти обертання колінчастого вала двигуна п_e. Якщо швидкісну характеристику визначають при повній подачі палива, то її називають зовнішньою швидкісною характеристикою на відміну від часткових швидкісних характеристик, одержуваних при неповних подачах палива. Незважаючи на те що в умовах експлуатації автомобіль велику частину часу працює при часткових навантаженнях (частковій швидкісній характеристиці), аналізуючи експлуатаційні властивості; зручно оперувати зовнішньою швидкісною характеристикою.

На зовнішній швидкісній характеристиці двигуна відрізняють такі характерні точки (рис. 1, а): п_тіп ‑ мінімальна стійка частота обертання колінчастого вала при повному навантаженні двигуна; п_М ‑ частота обертання колінчастого вала, що відповідає максимальному крутному моменту двигуна М_тах; n_N ‑ частота обертання колінчастого вала за максимальної потужності N_тах; M_N ‑ крутний момент двигуна, що відповідає максимальній потужності М_тах; п_тах ‑ максимальна частота обертання колінчастого вала.

Зі збільшенням частоти обертання колінчастого вала потужність і крутний момент зростають, досягаючи своїх максимальних значень, відповідно, при п_N і п_M, а потім зменшуються через погіршення наповнення циліндрів пальною сумішшю чи повітрям (дизельні двигуни) і збільшення механічних втрат у двигуні.

Тепер характер протікання потужності і крутного моменту дещо змінилися внаслідок зміни конструкції двигуна (наприклад, установка наддування зі змінною геометрією турбіни, зміни фаз газорозподілу і величини піднімання клапанів і т.п.) (рис. 1).

Рисунок 1 ‑ Зовнішні швидкісні характеристики двигуна без обмежника (а) із обмежником (б) максимальної частоти обертання колінчастого вала

Така характеристика протікання крутного моменту істотно змінює тягово-швидкісні властивості автомобіля, дозволяючи одержати стійку динаміку розгону в широкому діапазоні частот обертання колінчастого вала двигуна.

Рисунок 2 – Характер протікання Ме і Ne сучасного двигуна

Двигуни легкових і вантажних автомобілів забезпечуються обмежниками максимальної частоти обертання колінчастого вала. Перші ‑ для обмеження максимальної швидкості руху автомобіля, другі ‑ для підвищення довговічності роботи, оскільки вони працюють з більшими динамічними навантаженнями, ніж легкові.

Дизельні двигуни мають всережимні регулятори, що обмежують мінімальну і максимальну частоту обертання колінчастого вала, а також можуть підтримувати будь-який інший режим, заданий водієм. Зовнішня швидкісна характеристика дизельного двигуна має приблизно такий вигляд (рис. 1, б), як і характеристика бензинового двигуна з обмежником максимальної частоти обертання

Для існуючих конструкцій автомобільних двигунів відношення п_тах/п_N змінюються в таких межах: 1,10-1,25 для бензинових двигунів без обмежника частоти обертання; 0,8-1,15 для бензинових двигунів з обмежником і 0,9-1,0 - для дизельних двигунів.

Здатність двигуна до подолання короткочасних перевантажень характеризує коефіцієнт пристосовуваності K_n, що є відношенням максимального крутного моменту М_mах до крутного моменту за максимальної потужності М_N:

(1)

Чим вищою величина К_n, тим більше можна збільшити навантаження на двигун, не побоюючись його зупинки, тим більше короткочасне піднімання зможе подолати автомобіль без переключення на нижчу передачу. Для бензинових двигунів К_n= 1,25-1,35; для дизельних ‑ 1,05-1,15. Кращу характеристику (за коефіцієнтом пристосування), стосовно до транспортного засобу має електричний двигун, далі ‑газотурбінний і внутрішнього згорання (рис. 3).

Швидкісні характеристики звичайно одержують експериментальним шляхом на спеціальних гальмівних стендах. Двигун установлюють на стенд і, навантаживши його за допомогою гальма, домагаються усталеної роботи при певній частоті обертання колінчастого вала.

Змінюючи навантаження при кожному значенні частоти обертання колінчастого вала, вимірюють величину ефективного моменту М_е. За результатами вимірювання на графіку в координатах М_е-п_е одержують криву моменту. Далі за формулою (2) розраховують величину ефективної потужності і будують криву N_e=f(n_e):

(2)

де n_е ‑ поточне значення частоти обертання колінчастого вала двигуна, об./хв;

М_е ‑ поточне значення ефективного крутного моменту, Н·м.

Слід зазначити, що зовнішні швидкісні характеристики, які наводяться заводами-виготівниками, визначають звичайно без вентилятора, глушника й іншого устаткування, і тому вони завищені на 10-15%.

Рисунок 3 ‑ Швидкісні характеристики двигунів, що мають однакову максимальну потужність: 1 ‑ внутрішнього згорання, 2 ‑ газотурбінного, 3 ‑ електричного

У технічне завдання на проектування автомобіля іноді необхідно вносити характеристику двигуна, що поки не виготовляється. Метод тягового розрахунку автомобіля дозволяє знайти необхідну максимальну потужність двигуна і згідно з нею, за допомогою теплового розрахунку двигуна, можна знайти його зовнішню швидкісну характеристику. У той самий час вона може бути розрахована за емпіричними залежностями, отриманими на основі обробки й узагальнення великої кількостіпередач (роздавальну коробку) і головну передачу. ККД цих пристроїв становить 0,95-0,98 і 0,95-0,97 відповідно.

Розрізняють два види втрат потужності в трансмісії: механічні ‑ втрати на тертя між зубами шестерень і частково в підшипниках тертя між ущільнювальними манжетами і валами; гідравлічні ‑ витрати на тертя шестерень об масло. Другий вид втрат значно зростає при збільшенні не тільки швидкості обертання валів, а й в’язкості олії, що залежить від його температури.

Втрати потужності в трансмісії знижуються в разі збільшення переданого трансмісією крутного моменту і зростають у разі збільшення швидкості обертання валів, кількості і в’язкості мастила, залитого в картери коробки передач і головної передачі. Вони також залежать від технічного стану трансмісії і ходової частини автомобіля. Так, наприклад, неправильне регулювання підшипників головної передачі, диференціала, маточин коліс призводить до зниження ККД, а отже, до збільшення втрат потужності в трансмісії.

Механічний ККД трансмісії змінюється в процесі експлуатації автомобіля. На новому автомобілі, у період приробітку, ККД дещо зростає, потім протягом тривалого часу залишається приблизно постійним, а через деякий час у результаті зносу робочих поверхонь деталей і збільшення зазорів між ними починає знижуватися.

При аналізі експлуатаційних властивостей автомобіля, що не потребують високої точності, набувають деякі середні значення ККД, що не залежать від режиму роботи трансмісії (табл. 2).

Таблиця 2 – Діапазон значень механічного ККД трасмісії

Вид автомобіля	ηт
Легкові автомобілі й АТС на їхній базі	0,92-0,95
Вантажні автомобілі й АТС на їхній базі з одинарною головною передачею	0,85-0,92
Вантажні автомобілі й АТС на їхній базі з подвійною головною передачею й автомобілі з колісною формулою 4×4	0,83-0,85
Тривісні вантажні автомобілі й АТС на їхній базі з приводом на два мости (колісна формула 6×4)	0,80-0,83
Тривісні автомобілі з колісною формулою 6×6 і АТС на їхній базі	0,78-0,80

До 90-х років XX століття найвище значення, порівняно з комбінованими трансмісіями (гідромеханічними, електричними й ін.) мав ККД механічної трансмісії. У наш час використовувані в автомобілебудуванні високі технології дозволяють створювати конкурентоспроможні механічним комбіновані трансмісії. Це підтверджується збільшенням частки легкових автомобілів, обладнаних гідромеханічними трансмісіями (близько 54% усіх зроблених 2000 року і прогнозується до 61% у 2010 році [5]).