Наше учебное пособие

Если в качестве независимой переменной принимается объем рабочей полости цилиндра V, то индикаторная диаграмма носит название свернутой (рис. 5.1), а если независимой переменной является угол поворота коленчатого вала, то диаграмма называется развернутой (рис. 5.2).

Р,МПа	1	2	3	4

ZI

3

2

С

1		В
		Г
	А	Б
0	Д	Vh
VС

Va

оР

V,м3

Рис. 5.1. Свернутая индикаторная диаграмма: 1-воздухоочиститель; 2-впускной клапан; 3-свеча зажигания; 4-выпускной клапан

Рис. 5.2. Развернутая индикаторная диаграмма

Для научно-производственных целей при анализе эффективности процессов действительного цикла двигателя представляют интерес развер-

71

нутые индикаторные диаграммы, снимаемые с использованием специальной аппаратуры. Свернутые индикаторные диаграммы используются главным образом в учебных целях для понимания процессов цикла теплового двигателя.

На рис. 5.1 и 5.2 приведены индикаторные диаграммы, характеризующие протекание процессов действительного (рабочего) цикла четырехтактного бензинового двигателя при нормальных регулировках систем питания, зажигания, технически исправном состоянии других систем. Вид диаграммы может существенно измениться при нарушении регулировок состава смеси и опережения зажигания, применении бензина с низкой детонационной стойкостью и по другим причинам. По индикаторной диаграмме можно оценить правильность выбранных регулировок и техническое состояние двигателя.

5.2. Скоростная характеристика дизеля, анализ и определение эксплуатационных свойств энергетической установки

Дается сравнительный анализ характеристики рассчитываемого двигателя с точки зрения его эксплуатационных свойств:

а) указывается диапазон рабочих частот вращения (nн nТ ); для дизеля дополнительно отмечается режим перегрузки (работа на корректоре);

Т

б) рассчитывается коэффициент приспособляемости - Кп Те.мах ;

е.н

в) указывается минимальный удельный расход топлива и соответствующая ему частота вращения (нагрузка).

Рис. 5.3. Скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью

72

5.3. Способы улучшения экологических показателей дизельных энергетических установок

Главное значение и одновременно наибольшие трудности при улучшении экологических показателей транспортных дизелей связаны со снижением выбросов окислов азота NОх, дымности (твердых частиц) отработавших газов (ОГ).

Для снижения токсичности и дымности ОГ рекомендуются следующие мероприятия.

Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания. Пре-

имущество этого способа заключается в том, что одновременно со снижением дымности ОГ и содержания в них окиси углерода СО и углеводородов СН улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя. Существенное снижение токсичности ОГ можно получить путем наддува дизеля, увеличивая при этом обеднение смеси примерно до коэффициента

избытка воздуха min = 2.

Топливо и присадки. Добавка к дизельному топливу в количестве до 1 % антидымных присадок, например, на основе бария, марганца, позволяет при больших нагрузках в несколько раз понизить дымность ОГ и содержание в них альдегидов и бенз пирена. Значительно улучшаются экологические показатели при использовании газодизельного процесса.

Техническое состояние дизеля. Интенсивность дымления и токсичность ОГ сильно зависят от технического состояния и регулировок топливоподающей аппаратуры. Недопустимы подтекание топлива из распылителя, неправильная регулировка давления начала впрыскивания, зависание иглы распылителя и т. п.

При засорении воздухоочистителя или потере герметичности клапанов токсичность ОГ может возрасти в результате снижения наполнения цилиндров и компрессии. В изношенном дизеле в пристеночную зону цилиндра попадают частички масла, что увеличивает выброс высокотоксичного бенз пирена в 8 ... 10 раз. Правильная эксплуатация, т. е. поддержание дизеля в хорошем техническом состоянии, и стабильность регулировок топливной аппаратуры в сочетании с систематическим контролем дымности и токсичности ОГ позволяют снизить общий выброс токсичных веществ на

30 ... 40 %.

Рециркуляция ОГ более эффективна на режимах малых и средних нагрузок, причем ее эффективность в дизелях с камерой сгорания в поршне выше, чем в дизелях с разделенными камерами. Естественно, что на больших нагрузках рециркуляция ОГ уменьшает индикаторный КПД и увеличивает выброс СО.

Сходное с рециркуляцией ОГ воздействие на снижение выхода NOx имеет подача воды во впускной трубопровод или цилиндр дизеля. В последнем случае вода может впрыскиваться вместе с топливом раздельно

73

или в виде водо-топливной эмульсии. При добавке воды в количестве 30 % (по массе) концентрация NOх снижается в 2,5 раза. Одновременно снижаются выбросы СО и дымность ОГ. Добавка воды для подавления образования NOх наталкивается на ряд практических трудностей, связанных с возможностью ее замерзания, появлением коррозии и увеличением износа некоторых деталей.

5.4. Испытание двигателей. Скоростная характеристика бензинового двигателя. Нагрузочная характеристика дизеля, анализ

Основными показателями работы двигателя являются мощность, вращаюший момент, частота вращения, удельный расход топлива, экологические показатели. Указанные показатели определяются при испытании двигателя на стенде. Результаты испытаний представляются в виде характеристик. Различают следующие характеристики: скоростные, нагрузочные, регулировочные, регуляторные, специальные. Наибольшее применение имеют скоростные и нагрузочные характеристики.

Скоростную характеристику (рис. 5.4) снимают при постоянном положении органа управления подачей топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. По скоростной характеристике оценивают динамические качества двигателя, его технико-экономические показатели.

Рис. 5.4. Скоростная характеристика бензинового двигателя

74

Нагрузочную характеристику (рис. 5.5) снимают при постоянной частоте вращения в зависимости от нагрузки двигателя. По нагрузочной характеристике оценивают топливную экономичность двигателя.

ВТ

be.r

ВТ.хх

Pbemin Рен Ре

Рис. 5.5. Нагрузочная характеристика двигателя

Испытательный стенд должен иметь оборудование для измерения следующих показателей: вращающего момента, частоты вращения коленчатого вала, расхода топлива. Для измерения вращающего момента двигателя применяют механические, гидравлические и электрические тормоза постоянного и переменного тока. Электрические тормоза используют не только для торможения, но и для пуска двигателя. Они нашли наибольшее применение для учебных и производственных целей.

5.5.Экологическая характеристика бензинового двигателя

Экологическая характеристика бензинового двигателя, как правило, снимается в зависимости от состава смеси .

Состав смеси оказывает большое влияние на токсичность ОГ. Как следует из рис. 5.6 при < 1,0, затем при > 1,05 ... 1,10 в результате падения температуры сгорания образование NOx уменьшается, существенно возрастает концентрация СО и СН.ю, При этом, даже когда для двигателя в целом = 1,0, в ОГ содержится некоторое количество этих токсичных компонентов, что объясняется неравномерностью состава смеси по цилиндрам, наличием зон сгорания с обогащенной смесью. При обеднении смеси выход NOx сначала растет, что связано с увеличением концентрации в

75

продуктах сгорания атомарного кислорода, при > 1,05… 1,1 в результате падения температуры сгорания образование NOx уменьшается.

СО1, СО2,%

СО

14

12 СН1,NOХ,%

СО2

10 1,0

СН

8 0,8

6 0,6 NOХ

4 0,4

2 0,2

0 0,5 0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

0

Рис. 5.6. Экологическая характеристика бензинового двигателя

5.6.Экологическая характеристика дизеля

Вдизелях с камерой сгорания в поршне дымность ОГ на низких скоростных режимах возрастает в 1,5 ... 2 раза по сравнению с номинальным режимом. Это объясняется тем, что при уменьшении частоты вращения ухудшается распыливание и смешение топлива с воздухом, и сажа, образующаяся в зонах камеры с переобогащенной смесью, оказывается в зонах

сизбытком кислорода слишком поздно, не успевая там окисляться. Поэтому подачу в диапазоне низких частот вращения необходимо ограничивать, т. е. обеспечивать соответствующее корректирование скоростных характеристик топливоподачи.

Впериод разгона автомобиля с дизелем, особенно если последний имеет турбонаддув, в результате кратковременного обогащения смеси значительно возрастает дымность ОГ, в то же время имеет место лишь относительно небольшое увеличение концентрации СО, СН и NOx.

Конструкция камеры сгорания влияет на образование СН: чем меньше отношение поверхности к объему камеры и объем камеры над вытеснителем, тем меньше образуется СН. На концентрацию СО и NOx эти факторы заметного влияния не оказывают.

76

							б)
а)							К,%
							К
							60
				К,%			40
				60	N0x,мгл/		20
		К		40			0
N0x,мгл/				20		6	N0x
6	N0x			0		4	СН,мгл/
4						2
2				СН,мгл/		0	1,0
0				1,0			СН
		СН					0,5
С0,%				0,5		С0,%	0
0,2				0		0,2	СО
		СО
0,1						0,1
0	0,1	0,3	0,5	0,7 Ре,МПа		0	n, мин-1

Рис. 5.7. Влияние нагрузки и частоты вращения на экологические показатели дизеля (верхние и нижние границы определяются способом смесеобразования и наличия наддува).

Увеличение степени сжатия вызывает рост максимальной температуры цикла и приводит к увеличению отношения поверхности камеры сгорания к ее объему. Первый фактор определяет повышение концентрации NOx при > 1,0, а второй – увеличение выхода СН.

В двигателях с вихревым движением заряда, создаваемым в процессе впуска, при сильном увеличении интенсивности вихря (особенно в сочетании с обеднением до смеси = 1,4 ... 1,5) могут возрастать выбросы СН.

Улучшение смесеобразования уменьшает выброс СО в области богатых смесей, но может несколько увеличить концентрацию NOx на бедных смесях.

6.ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ТТМ

6.1.Системы электроснабжения транспортно-технологических

машин

Системы электроснабжения транспортно-технологических машин - это совокупность оборудования, обеспечивающего производство электрической энергии необходимого качества, распределение и передачу ее по-

77

требителям. Основное требование к системе электроснабжения – надежное обеспечение потребителей электрической энергией в различных условиях эксплуатации техники. Кроме того, элементы системы электроснабжения должны отвечать общим требованиям, которые предъявляют к электрооборудованию автомобиля и трактора.

На автотракторной технике применяют системы электроснабжения постоянного тока. В систему электроснабжения входят:

-источники электрической энергии (генератор, аккумуляторная ба-

тарея);

-регулирующие устройства;

-элементы контроля и защиты от возможных аварийных режимов (реле и контрольная лампа или одна контрольная лампа).

Основным источником электрической энергии в системе электроснабжения является генератор переменного тока с выпрямителем (вентильный генератор), который приводится во вращение от двигателя внутреннего сгорания посредством ременной передачи. Специальный узел генератора - выпрямитель обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный. Переменный ток выпрямляется полупроводниковыми диодами (вентилями), поэтому такие генераторы называются вентильными.

Таким образом, вентильный генератор - это генератор переменного тока, в котором переменный ток выпрямляется полупроводниковыми диодами. Благодаря использованию полупроводникового выпрямителя значительно повысились надежность и удельная мощность генератора, упростилась его конструкция по сравнению с генератором постоянного тока с механическим выпрямителем - коллектором, уменьшилась трудоемкость технического обслуживания в эксплуатации, расширился диапазон рабочих частот вращения ротора генератора.

Кроме электроснабжения потребителей, входящих в систему электрооборудования ТТМ, генератор должен обеспечивать заряд аккумуляторной батареи при работающем двигателе. Выходные параметры генераторной установки выбираются так, чтобы на любых режимах движения и работы машины не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи. Напряжение в бортовой сети автомобиля и трактора должно быть стабильным в широком диапазоне изменения частот вращения ротора генератора и коленчатого вала двигателя. Последнее требование связано с тем, что аккумуляторная батарея чувствительна к уровню и степени стабильности напряжения. Слишком низкое напряжение приводит к недозаряду батареи и, как следствие, к затруднениям при осуществлении пуска двигателя. Слишком высокое напряжение вызывает перезаряд батареи и ускоренный выход ее из строя. Весьма чувствительны к уровню напряжения бортовой сети лампы приборов освещения и сигнализации.

Генератор с регулятором напряжения образует генераторную установку. Генераторные установки в процессе развития претерпели сущест-

78

венные изменения. Коллекторные генераторы постоянного тока, работавшие совместно с вибрационными реле-регуляторами, вытеснены вентильными генераторами с транзисторными или тиристорными регуляторами напряжения. Большинство генераторов в настоящее время представляют собой устройство, в которое встроены выпрямитель (в ряде случаев и дополнительный для питания обмоток возбуждения) и регулятор напряжения. Существенно усложнились схемы генераторных установок. В них появились элементы защиты от возможных аварийных режимов.

При наличии встроенного в генератор интегрального регулятора напряжения упрощается монтаж генераторной установки на машине, снижается трудоемкость технического обслуживания, уменьшается расход монтажных проводов, снижается вероятность возникновения аварийных режимов из-за коротких замыканий в проводах и ошибок при монтаже.

Генераторная установка способна выдерживать повышенные вибрации двигателя, высокую подкапотную температуру, воздействие влажной среды, грязи и других факторов.

Режим работы потребителей электроэнергии на автомобилях и тракторах характеризуется широким диапазоном изменения нагрузки и ее случайным характером. Скоростной режим работы генератора, приводимого во вращение от двигателя машины, также имеет случайный характер. При этом даже при частоте вращения коленчатого вала двигателя в режиме холостого хода генератор должен развивать мощность, достаточную для электроснабжения системы зажигания, контрольно-измерительных приборов, габаритных огней и фонарей освещения номерного знака.

Параллельная работа генератора с аккумуляторной батареей связана со случайным характером распределения нагрузки между ними. Аккумуляторная батарея на специальной автотракторной технике выполняет функции, как источника, так и потребителя электрической энергии. Распределение нагрузки между генератором и аккумуляторной батареей зависит от многих факторов, основными из которых являются скоростной режим и зависимость от частоты вращения ротора генератора силы отдаваемого тока, уровень регулируемого напряжения, состояние аккумуляторной батареи, температура окружающей среды.

Климатическое исполнение генераторной установки требует определенных условий эксплуатации. Максимальная температура среды в моторном отделении, где располагается генераторная установка, должна соответствовать температурному ряду: 70, 80, 90 и 100 °С. При этом значение той температуры из этого ряда, на которую рассчитаны элементы генераторной установки, указывается в их технической документации.

Минимальная температура в моторном отделении не должна быть ниже – 40 °С для генераторных установок, предназначенных для эксплуатации в зонах умеренного или холодного климата, и – 20 °С для генераторных установок тропического исполнения. Кроме того, пребывание эле-

79

ментов генераторной установки в нерабочем состоянии при температуре –60 °С (умеренный и холодный климат) и –45 °С (тропическое исполнение) не должно выводить генераторную установку из строя.

Генераторная установка не должна терять работоспособность при относительной влажности воздуха (95±3) %, температуре (40±2) °С и снижения атмосферного давления до 56,5 кПа (460 мм рт.ст.). Снижение атмосферного давления влияет в основном на производительность вентилятора генератора. Чем ниже атмосферное давление, тем менее интенсивно прокачивается охлаждающий воздух через генератор и тем выше температура его узлов.

Насыщенность современных генераторных установок электронными компонентами выдвигает дополнительные требования по сохранению их работоспособности в условиях электромагнитных воздействий, в частности импульсных напряжений бортовой сети, которые возникают как в нормальном, так и аномальном режимах работы генератора.

При применении электронных устройств особые требования предъявляются к характеру изменения выходного напряжения генераторной установки. Импульсное напряжение возникает в системе электроснабжения как при нормальных режимах работы в результате действия переключающих устройств (диодов выпрямителя и транзисторов регулятора напряжения), так и в аварийных режимах, например, при внезапном отключении аккумуляторной батареи. Кратковременные импульсы напряжения в системе электроснабжения не должны превышать 150 В, которые могут выдерживать полупроводниковые элементы генераторной установки.

Система генерирования электрической энергии в первую очередь характеризуется установленной мощностью генератора. Мощность генераторных установок существенно возрастает. Уже к началу 90-х годов эта мощность возросла до 800 … 900 Вт. На автомобилях высшего класса мощность генератора на 300 … 400 Вт выше, что объясняется наличием приборов повышенного комфорта в салоне, прежде всего кондиционера.

На современных легковых автомобилях среднего класса и грузовых автомобилях преобладают генераторные установки, рассчитанные на максимальную силу тока 50 … 70 А, а на автомобилях высшего класса – до 90 … 100 А, т.е. максимальная мощность, отдаваемая потребителям, достигает 1,4 … 1,5 кВт. При таких мощностях становится важным обеспечить высокий КПД генераторной установки. Мощность, забираемая генераторной установкой от автомобильного двигателя при максимальной частоте вращения коленчатого вала, приближается к 4,5 кВт. В этом случае расход топлива на привод генератора может составлять 6 % общего расхода, причем 75 % этого расхода топлива теряется на нагрев узлов генераторной установки.

Рост установленной мощности генератора обусловлен как повышением мощности и числа потребителей электрической энергии, так и увели-

80