2.5. Скоростные характеристики двигателя

Автотракторные ДВС работают на различных скоростных и нагрузочных режимах. Минимальная частота вращения вала ограничивается требованиями устойчивой работы ДВС, а максимальная – качественным протеканием процесса газообмена, термической напряженностью деталей, повышением инерционных нагрузок, ухудшением механического КПД и др. В пределах изменяющейся частоты вращения вала двигатель внутреннего сгорания может работать в эксплуатации при различных значениях нагрузки.

Оптимальными режимами работы ДВС являются такие, которые, например, обеспечивают его работу при максимальной мощности N_emaxили при максимальном крутящем моменте M_emax, или при минимальном удельном расходе топлива g_emin.

Режим работы автотракторного ДВС в процессе эксплуатации определяется условием равенства мощности на валу ДВС и мощности сопротивления (необходимой мощности), которая, как правило, изменяется в широких диапазонах.

Необходимая мощность зависит не только от скорости движения машины, но в значительной степени и от многих других факторов: для автомобилей – от состояния дороги, массы груза, разгона машины и др., для тракторов – от прицепных орудий, состояния почвы (глубины колеи), объема трелюемого пакета и др.

Поскольку нагрузка на ДВС постоянно изменяется, то его эксплуатационный режим является неустановившимся. Если сопротивление движению кратковременное, оно может преодолеваться кинетической энергией поступательно движущихся и вращающихся масс, а при значительном и длительном сопротивлении преодоление производится за счет резерва крутящего момента ДВС.

В карбюраторных ДВС момент повышается приоткрытием дроссельной заслонки, а в дизельных – за счет увеличения подачи топлива ТНВД.

Отсюда очевидно, что, анализируя работу ДВС, не следует останавливаться на изучении какого-либо одного постоянного режима, нужно исследовать работу ДВС на режимах, встречающихся в эксплуатации.

Для оценки мощностных и экономических показателей ДВС при работе его в различных условиях эксплуатации пользуются так называемыми характеристиками ДВС.

Характеристикой ДВС называют зависимость основных параметров работы ДВС (мощности, крутящего момента, удельного, часового расхода топлива и др.) от параметров режима его работы (частоты вращения, загрузки, скорости движения и др.). Для автотракторных ДВС основными характеристиками являются: скоростные, нагрузочные и регулировочные.

Определив основные индикаторные и эффективные показатели двигателя и его размеры, строят скоростную характеристику двигателя с целью ее использования для расчета тяговой и динамической характеристик автомобиля или трактора.

Как отмечалось выше, эксплуатация автомобиля или трактора происходит при переменных нагрузках и скоростях движения в зависимости от дорожных условий. Поэтому мощность двигателя всегда должна соответствовать мощности, необходимой для движения транспортного средства с требуемой скоростью, при оптимальных динамических и топливно-экономических параметрах.

Наибольшая эффективная мощность, которую двигатель может развивать на всех скоростных режимах, ограничена кривой (N_e) внешней скоростной характеристики (рис. 3).

Рис. 3. Внешние(сплошные) и частичные (пунктирные кривые А, В)

скоростные характеристики двигателя

Эта мощность используется для движения автомобиля (трактора) с определенной скоростью. Связь между частотой вращения коленчатого вала двигателя и скоростью движения автомобиля Vустанавливается по уравнению:

, (2.61)

где – радиус колеса;

n– частота вращения, об/с;

–передаточное число коробки передач;

–передаточное число, обеспечиваемое главной передачей, конечной передачей и механизмом поворота (для гусеничных машин).

Мощность двигателя расходуется на преодоление трения в трансмиссии N_ТР, сопротивления качению автомобиляN_f, подъемуN_i, сопротивления на крюкеN_кри сопротивления воздухаN_w. Таким образом, суммарные затраты мощности на движение

. (2.62)

Затраты мощности на преодоление сопротивления качению автомобиля зависят от качества дороги и шин, массы машины и скорости движения и определяются по экспериментальным зависимостям, излагаемым в курсе теории автомобиля (трактора).

Величина N_wизменяется примерно пропорционально кубу скорости движения автомобиля.

Во всем диапазоне изменения мощности, ограниченном кривой N_е, осью абсцисс и ординатой максимальной частоты вращения, двигатель должен работать устойчиво с оптимальной экономичностью, наибольшей надежностью и долговечностью и с наименьшей токсичностью отработавших газов.

Внешней скоростной характеристикой называют зависимость эффективной мощности (N_е), эффективного крутящего момента (М_е), часового (G_т) и удельного эффективного (g_е) расходов топливаoт частоты вращения (n) при полностью открытой дроссельной заслонке в карбюраторном двигателе или положении рейки топливного насоса, соответствующей максимальной подаче топлива в дизеле.

Характеристики, полученные при неполных открытиях дроссельной заслонки или подачах топлива, называют частичными характеристиками (кривые А, В на рис. 3).

Снятие характеристик производится на испытательном стенде. Характерными для внешней скоростной характеристики являются следующие скоростные режимы (рис. 3):

n_min– при котором двигатель устойчиво работает с полной нагрузкой;

n_е– соответствующий максимальной эффективной мощности;

n_м– соответствующий максимальному крутящему моменту;

n_ge– соответствующий наименьшему эффективному удельному расходу топлива (наибольшей экономичности);

n_max– максимальной частотой вращения холостого хода при работе двигателя с регулятором.

Ориентировочные значения параметров скоростных режимов двигателей указаны в табл. 5. Наибольшая частота вращения холостого хода при работе двигателя с регулятором несколько выше номинальной, что необходимо для обеспечения устойчивой работы регулятора.

Таблица 5. Значения параметров скоростных режимов двигателей

Скоростной режим	Карбюраторный двигатель	Дизель
nmin	5–10	6–10
nном	50–100	35–70
nм	(0,4–0,6) nном	(0,4–0,6) nном
nmax	(1,05–1,1) nном	(1,05–1,07) nном

Для предварительных расчетов внешней скоростной характеристики могут быть использованы эмпирические формулы С. Р. Лейдермана:

; (2.63)

, (2.64)

где – частота вращения, соответствующая максимальной мощности двигателя;

n– задаваемая переменная частота вращения;

–расход топлива при по результатам теплового расчета.

Значения коэффициентов приведены в табл. 6.

Таблица 6. Значения коэффициентов Лейдермана

Двигатели	a	b	c	a1	b1	c1
Карбюраторный	1	1	1	1,2	1	0,8
Дизельные	0,87	1,13	1	1,55	1,55	1

Данные для построения кривой крутящего момента получают из формулы, Н/м:

, (2.65)

где N_e(кВт),n(об/с) берутся из вышеприведенных расчетов, а данные для построения кривой часового расхода топлива получают из формулы, кг/ч:

. (2.66)