Визначення потужності двигуна, вибір та обгрунтування його типу, побудува швидкісної зовнішньої характеристики

Тяговий розрахунок починають з визначення потужності N_V, необхідної для руху з заданою максимальною швидкістю V_max.

Оскільки при русі автомобіля з максимальною швидкістю прискорення дорівнює нулеві, можна, виходячи із потужнісного балансу, записати вираз для визначення N_V:

N_V = , кВт. (2.15)

Ця потужність відповідає кутовій швидкості колінчастого вала w_V, при якій швидкість руху автомобіля буде максимальною. Для побудови швидкісної зовнішньої характеристики двигуна необхідно знати максимальну потужність двигуна N_max та кутову швидкість w_N, при якій ця потужність досягається.

У загальному випадку w_V відрізняється від w_N і, відповідно, N_V ¹ N_max. Іноді максимальній швидкості відповідає рух не на вищій, а на попередній передачі, – таку передачу називають вищою розрахунковою, а передачу з мінімальним передаточним числом у таких автомобілів використовують для поліпшення паливної економічності.

У автомобілів з двигунами, які мають обмежувач кутової швидкості (карбюраторні двигуни вантажних автомобілів та автобусів, двигуни із впорскуванням бензину) або регулятор (дизелі), w_V = w_N та N_V = N_max.

У легкових автомобілів з карбюраторними двигунами w_V може бути як більше, так і менше від w_N. Зазвичай w_V/w_N = 0,9…1,1. Якщо задатися, орієнтуючись на аналог або з інших міркувань, значенням w_V/w_N, максимальну потужність двигуна можна знайти, розв’язуючи наведене нижче рівняння (2.16) відносно N_max та покладаючи N = N_V.

При проектуванні автомобіля w_N обирають, орієнтуючись на значення кутової швидкості колінчастого вала, при якій досягається максимальна потужність у сучасних автомобільних двигунів відповідного типу:

– у карбюраторних двигунів легкових автомобілів w_N = 450…600 рад/с;

– у карбюраторних двигунів вантажних автомобілів і автобусів
w_N = 310…330 рад/с;

– у дизелів легкових автомобілів w_N = 350…460 рад/с;

– у дизелів вантажних автомобілів та автобусів w_N = 220…280 рад/с.

Тип двигуна для автомобіля, що проектується, обирають, виходячи з визначеної максимальної потужності, призначення автомобіля, умов його експлуатації, паливного балансу України та перспективних напрямків розвитку конструкції автомобільних двигунів: підвищення паливної економічності; зменшення токсичності газів, що відпрацювали; зменшення рівня шумності; збільшення питомої потужності; підвищення надійності.

Необхідні для побудови швидкісної зовнішньої характеристики двигуна поточні значення потужності N_i, крутного моменту М_кi та питомої витрати палива g_i можна розрахувати за наближеними емпіричними формулами:

N_i = N_max кВт; (2.16)

М_кi = 1000 H×м; (2.17)

g_i = g_N , г/кВт год, (2.18)

де w_і – поточне значення кутової швидкості колінчастого вала, рад/с. Для карбюраторних двигунів вантажних автомобілів і автобусів та для дизелів вибирають не менше 7...8 значень w_i в межах від мінімальної кутової швидкості w_min = 80 рад/с до максимальної кутової швидкості w_max, яка дорівнює кутовій швидкості колінчастого вала при максимальній потужності w_N: w_max = w_N. Для карбюраторних двигунів легкових автомобілів, у яких w_V найчастіше більше від w_N і відповідно максимальна кутова швидкість колінчастого вала більша за кутову швидкість при максимальній потужності, – не менше 7...8 значень від w_min = 80 рад/с до w_max = w_V (у цьому випадку серед обраних значень обов'язково повинно бути w_N);

a, b, с та a₁, b₁, с₁ – емпіричні коефіцієнти (вибирають із табл. 2.6 та 2.7);

g_N – питома витрата палива двигуном при максимальній потужності, яка становить 330...360 г/(кВт×год) для карбюраторних двигунів та 220...240 г/(кВт×год) для дизелів.

Таблиця 2.6 – Значення коефіцієнтів a, b та с

Коефі­цієнт	Тип двигуна
карбюраторний	дизель
легкового автомобіля та автобуса	Вантажного автомобіля	легкового автомобіля	Вантажного автомобіля та автобуса
a	0,9	1,0	0,8	0,7
b	1,1	1,0	1,2	1,3
с	1,0	1,0	1,0	1,0

Таблиця 2.7 – Значення коефіцієнтів а₁, b₁, c₁

Коефіцієнт	Тип двигуна
карбюраторний	дизель
а1	1,120	1,168
b1	0,580	0,670
c1	0,470	0,491

Результати розрахунків зводять у таблицю (див. табл. 2.8).

Таблиця 2.8 – Параметри швидкісної зовнішньої характеристики двигуна

wi, рад/с	w1	w2	w3	w4	...	...	...	wn
wі/wN
Ni, кВт
Мкі, Н×м
gі, г/(кВт год)

Розрахована за емпіричними формулами та з використанням рекомендо­ваних вище значень коефіцієнтів а, b та с швидкісна зовнішня характеристика карбюраторного двигуна або дизеля може відрізнятися, і іноді досить суттєво, від тієї реальної, яку отримують при випробуваннях двигуна на гальмівному стенді. Тому, якщо є можливість передбачити встановлення на автомобіль, що проектується, вже існуючого двигуна, доречно використати для подальших розрахунків його швидкісну характеристику за даними заводу-виробника. Ці характеристики наводяться у спеціальній літературі. Крім того, формули 2.16…2.18 не підходять для розрахунку швидкісних характеристик двигунів із впорскуванням бензину, оскільки ці характеристики мають складну форму, тому, обираючи для встановлення на автомобіль, що проектується, такий двигун, необхідно мати можливість використати його реальну швидкісну зовнішню характеристику.

Уточнити параметри швидкісної зовнішньої характеристики існуючого карбюраторного двигуна або дизеля, якщо відсутня його реальна характеристика, але відомі максимальні значення потужності N_max і крутного моменту М_max та частоти обертання колінчастого вала двигуна n_N та n_M, при яких вони досягаються (у довідковій літературі зазвичай вказують не кутові швидкості, а частоти обертання колінчастого вала), можна таким чином.

Визначають потужність двигуна при максимальному крутному моменті

N_M = , (тут w_M = ), (2.19)

а також потужність двигуна N_min при мінімальній частоті обертання колінчастого вала

N_min = (0,08…0,10)N_max. (2.20)

Отримані значення N_M, N_min та N_max підставляють у формулу для N_і та складають три рівняння, розв’язок яких і дозволяє знайти уточнені значення коефіцієнтів a, b та c:

= 1,0, (2.21)

N_М = N_max , (2.22)

N_min = N_max . (2.23)

Значно простіше, але з достатньою для навчальних розрахунків точністю можна також визначити коефіцієнти a та b при відомих частотах обертання колінчастого вала двигуна n_N та n_M за формулами

b = 2 , (2.24)

a = 2 – b, (2.25)

покладаючи при цьому c = 1.

Для уточнення параметрів швидкісної зовнішньої характеристики автомобільного двигуна можна використати залежність M_к=f(w) у вигляді

M_к = a×w² + b×w + c, (2.26)

де a, b, c – сталі коефіцієнти, котрі визначають за допомогою інтерполяційної формули Лагранжа:

, (2.27)

, (2.28)

, (2.29)

де A₁₁ = w²_min - w_min(w_N + w_M) + w_N×w_M;

A₁₂ = w²_M + w_M(w_N + w_min) + w_N×w_min;

A₁₃= w²_N + w_N(w_M+w_min) + w_M×w_min;

w_min, M_к.min - мінімальна стійка кутова швидкість колінчастого вала двигуна, рад/с, та крутний момент, Н×м, при цій кутовій швидкості (приймають w_min = (0,3...0,4) w_N);

M_к.max, w_М - максимальний крутний момент двигуна, Н×м, та кутова швидкість колінчастого вала двигуна, рад/с, що йому відповідає;

M_N, w_N - крутний момент, Н×м, та кутова швидкість колінчастого вала двигуна, рад/с, що відповідають його максимальній потужності.

Зразки швидкісних зовнішніх характеристик двигунів показані на рис. 2.3.

а б

Рисунок 2.3 – Швидкісні зовнішні характеристики двигунів

в г

Рисунок 2.3 – Швидкісні зовнішні характеристики двигунів

а – карбюраторного двигуна легкового автомобіля (без обмежувача кутової швидкості колінчастого вала) (двигун ВАЗ-2106);

б – карбюраторного двигуна вантажного автомобіля (з обмежувачем кутової швидкості колінчастого вала) (двигун ЗІЛ-508.10);

в – дизеля вантажного автомобіля (з всережимним регулятором частоти обертання колінчастого вала) (двигун ЯМЗ-238);

г – дизеля вантажного автомобіля (з всережимним регулятором частоти обертання колінчастого вала)

(двигун ІVECO);

д – двигуна з впорскуванням бензину легкового автомобіля (без обмежувача кутової швидкості колінчастого вала) (двигун ТОYOTA).

д

Рисунок 2.3 – Швидкісні зовнішні характеристики двигунів