Скоростной характеристикой двигателя называется зависимость его эффективной мощности Ре, эффективного крутящего момента Те и удельного расхода топлива gе от угловой скорости вращения w е коленчатого вала. Наибольший интерес при теоретическом анализе тягово-скоростных свойств автомобиля представляет так называемая внешняя скоростная характеристика, соответствующая работе двигателя с полной подачей топлива.
На рис. 12 приведены внешние скоростные характеристики наиболее применяемых на современных автомобилях двигателей – поршневых двигателей внутреннего сгорания (бензинового, с распределенным впрыском и дизельного, с прямым впрыском). Внешние скоростные характеристики являются основными документами двигателей, используемыми при проведении расчетов тягово-скоростных характеристик автомобилей.
|
|
|
Важнейшими параметрами внешней скоростной характеристики двигателя являются:
Ре mах – максимальная эффективная мощность (т.е. мощность, непосред-
ственно снятая с его коленчатого вала), кВт;
Те max – максимальный крутящий момент, Н.м;
Тр – крутящий момент при максимальной мощности, Н.м;
Р огр (Т огр) – мощность, кВт (крутящий момент, Н.м) по ограничителю
(wогр);
wmax – максимальная угловая скорость вращения коленчатого вала, с-1;
w р – угловая скорость вращения коленчатого вала при максимальной
мощности, с-1 ;
wт – угловая скорость вращения коленчатого вала при максимальном
крутящем моменте, с-1;
w g min – угловая скорость вращения коленчатого вала при минимальном
удельном расходе топлива, с-1;
wmin – минимальная устойчивая угловая скорость вращения коленчатого
вала, с-1;
wогр- угловая скорость коленчатого вала по ограничителю, с-1.
Способность двигателя приспосабливаться к изменению нагрузки на коленчатом валу оценивают коэффициентом приспособляемости по моменту k т, который определяется соотношением
k т = Те max / Тр. (16)
Кроме того, широту диапазона устойчивой работы двигателя оценивают коэффициентом приспособляемости по угловой скорости вращения k w, который равен
k w = w p / wт. (17)
|
|
Скоростные характеристики получают путем испытания двигателей в стендовых условиях. При этом производят замер величин крутящего момента Те ст на коленчатом валу при различных угловых скоростях его вращения, т.е. определяют зависимость Те ст = f ( w е). Мощностные показатели двигателя рассчитывают с использованием этих зависимостей по формуле
Ре ст = Те ст w е, (18)
где Ре ст и Те ст – мощность и крутящий момент в стендовых условиях.
При снятии характеристик двигателя на стенде он, как правило, не оснащается всеми теми узлами и навесным оборудованием, которые устанавливаются на него на реальном автомобиле. Более того, температурные условия и воздухообмен в подкапотном пространстве существенно отличаются от стендовых в худшую сторону. Для учета влияния этих факторов обычно вводят корректирующие коэффициенты k c и k п:
k c – коэффициент коррекции стендовых характеристик (для двигателей, испытанных по ГОСТу, k с = 0,95 – 0,97);
k п – коэффициент учета подкапотных потерь (k п = 0,9 – 0,98).
|
Тогда мощность двигателя, установленного на автомобиле, определится как
Ре = k c k п Ре ст. (19)
Соответственно крутящий момент двигателя, установленного на автомобиле,
Те = k c k п Те ст. (20)
Часто при проектировании новых автомобилей характеристики двигателя неизвестны, тогда расчеты ведут с использованием приближенных скоростных характеристик, построенных по соответствующим теоретическим зависи-мостям. Одной из таких часто применяемых эмпирических зависимостей является формула
Ре = Ре max (а w е / w р + b w е2 / w р2 - с w е3 / w р3), (21)
где а, b, с – коэффициенты, зависящие от типа и конструкции двигателя; Ре , w е – текущие значения мощности и угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя; Ре max,ω р – максимальная мощность двигателя и угловая скорость вращения коленчатого вала при максимальной мощности.
Для карбюраторных двигателей старого типа (выпуска до 1965 года) рекомендовалось при расчетах по формуле (21) брать а = b = с = 1 [ 3 ]. Для дизелей с непосредственным впрыском удовлетворительный результат дает такое сочетание этих коэффициентов: а = 0,5; b = 1,5; с = 1 [ 3 ]. Более точно эти коэффициенты для всех типов и конструктивных вариантов поршневых двигателей определяются следующими выражениями [ 2 ]:
а = [ k т k w (2 - k w) – 1 ] / [ k w (2 - k w) –1 ];
b= - 2 k w (k т –1) / [ k w (2 - k w) –1 ]; (22)
c = - k2 w (k т –1) / [ k w (2 - k w) –1 ].
Можно дать ориентиры значений коэффициентов а, b и с. Так, для современных бензиновых двигателей с распределенным впрыском топлива а = 0 ÷ 0,3; b = 2,4 ÷ 3,0; с = 1,7 ÷ 2.0, для дизелей а = 0,5 ÷ 0,7; b = 1,5 ÷ 2,0; с = 1,0 ÷ 1,5. При выборе значений а, b и с из указанных диапазонов нужно помнить, что для двигателей, не оборудованных ограничителем максимальных оборотов, должны выполняться такие обязательные условия [ 1 ]:
а + b - с = 1 (для обеспечения Ре = Ре max при w е = w р);
а + 2 b - 3 с = 0 (так как при w е = w р dPe / d w e = 0).
Потери в трансмиссии
При движении автомобиля происходит передача мощности от коленчатого вала двигателя на ведущие колеса. При этом она одновременно расходуется на разгон вращающихся деталей двигателя и трансмиссии и на потери в трансмиссии, обусловленные механическим трением в зубчатых передачах, трением сальниковых устройств подшипников и сопротивлением качению их роликов (иголок, шариков), гидравлическими потерями на перебалтывание смазочного масла в картерах трансмиссионных узлов.
|
|
Соответствующий ситуации мощностной баланс имеет вид
Ре - Рj = Р к + Р тр (23)
или Р к = Ре – Рj – Р тр , (23¢)
где Р к – мощность, подводимая к ведущим колесам автомобиля; Ре – мощность двигателя, установленного на автомобиле; Рj – мощность, затрачиваемая на разгон вращающихся деталей двигателя и трансмиссии; Р тр – мощность потерь в трансмиссии.
Для учета потерь в трансмиссии удобнее пользоваться понятием коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии hтр:
hтр = Р к / (Р к + Р тр) = Р к / (Ре – Рj). (24)
Тогда
hтр Р к + hтр Р тр = Р к,
откуда Р тр = Р к (1 - hтр) / hтр.
При установившемся движении, когда Рj = 0 и Р к / hтр = Ре, получим
Р тр = Ре (1 - hтр). (25)
Общепринято, что КПД трансмиссии автомобиля (как и любой другой механической трансмиссии) равен произведению КПД ее последовательно расположенных узлов. Для проектных расчетов рекомендуются следующие ориентировочные значения КПД автомобильных трансмиссионных узлов: коробки передач 0,95 ÷ 0,99 (в зависимости от включенной передачи); раздаточной коробки 0,93 ÷ 0,97; колесной передачи 0,96 ÷ 0,98; карданного шарнира 0,99 ÷ 0,995 (в зависимости от конструкции шарнира и угла передачи); главной передачи 0,92 ÷ 0,97 (меньшее значение для двойной главной передачи).
Для более детального определения hтр можно воспользоваться формулой, учитывающей количество зубчатых передач, карданных шарниров и подшипников трансмиссии, через которые передается полная мощность от двигателя на ведущие колеса
|
|
hтр = 0,98 к · 0,97 l · (0,99 ÷ 0,995) m · (0,995 ÷ 0,998) n · (0,997 ÷ 0,999) р, (26)
где 0,98 – КПД цилиндрической шестеренчатой пары; к – число цилиндрических шестеренчатых пар, участвующих в передаче полной мощности Ре на ведущие колеса; 0,97 – КПД конической шестеренчатой пары; l – число конических пар, передающих полную мощность Ре на ведущие колеса; (0,99 ÷ 0,995) – КПД карданного шарнира; m – число карданных шарниров, передающих полную мощность Ре ; (0,995 ÷ 0,998) – КПД конического подшипника с сальником (без него); n – число конических подшипников, через которые передается полная мощность Ре на ведущие колеса автомобиля; (0,997 ÷ 0,999) – КПД шарикового подшипника с сальником (без него); р – число шарикоподшипников, участвующих в передаче полной мощности Ре на ведущие колеса автомобиля.
Примечание: КПД узла (hу), передающего часть (D) мощности Ре, перед подстановкой в формулу (26) лучше откорректировать (hу(кор)) по предлагаемой автором формуле:
hу(кор) = (1 - D) + hу D.
При работе на режимах максимальных нагрузок среднее значение КПД трансмиссии для различных типов автомобилей составляет hтр = 0,8 ÷ 0,94. При этом для переднеприводных легковых автомобилей с поперечным распо-ложением двигателя типичны hтр= 0,92 ¸ 0,94, для переднеприводных легковых автомобилей с продольным расположением двигателя hтр= 0,91 ¸ 0,93, для легковых автомобилей классической компоновки hтр= 0,89 ¸ 0,92, для двухосных грузовых автомобилей с одним ведущим мостом hтр = 0,86 ¸ 0,91, для трехосных полноприводных грузовиков hтр = 0,8 ¸ 0,82.