Визначення потужності двигуна та побудова швидкісної зовнішньої характеристики

Тяговий розрахунок починають з визначення потужності Nv, 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 Nv:

Nv = Ψ v Ga V_{a max} + W V³ _{a max}, к ВТ (4.4.)

1000 ηтр

Ця потужність відповідає частоті обертання колінчастого вала п v, при якій швидкість руху автомобіля буде максимальною. Для побудови швидкісної зовнішньої характеристики двигуна необхідно знати максимальну потужність двигуна N _max та частоту обертання колінчастого вала п _N, при якій ця потужність досягається.

У загальному випадку п v відрізняється від п _N і, відповідно, Nv ≠ N max.

У автомобілів з двигунами, які мають обмежувач частоти обертання к.в. (карбюраторні двигуни вантажних автомобілів та автобусів, двигуни із впорскуванням бензину) або регулятор (дизелі) п v = п _N та Nv = N max.

У легкових автомобілів з карбюраторними двигунами п v може бути як більше, так і менше від n _N. Зазвичай п v/ п _N = 0,9…1,1. Якщо задатися, орієнтуючись на аналог або з інших міркувань, значенням п v / п _N, максимальну потужність двигуна можна знайти, розв’язуючи наведене нижче рівняння (4.5) відносно N max та прийнявши N max = Nv.

При проектуванні автомобіля η 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 п N = 4300…. 6000 хв - ¹;

- у карбюраторних двигунів вантажних автомобілів і автобусів

п N = 2900…. 4600 хв - ¹;

- у дизелів легкових автомобілів п N = 3500…. 4600 хв - ¹;

- у дизелів вантажних автомобілів та автобусів п N = 1900…. 3200 хв - ¹.

Тип двигуна для автомобіля 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_і крутного моменту М_кі та питомої витрати палива gі можна розрахувати за наближеними емпіричними формулами С.Р. Лейдермана:

Nі = N max п і / п _N [ a + b ∙ п і / п _N – с (п і / п _N) ²], кВт (4.5)

Мк1 = 1000 N_і / ω_і, Нм (ω_і = π∙ п і / 30 ) (4.6)

g_і = g_N[ a1 – b1 ∙ п і / п _N + с1∙(п і / п _N) ²], г /кВт год (4.7)

G_ті = g_і ∙ N_і ∙ 10 кг/год,

де п _і – поточне значення частоти обертання колінчастого вала,хв.^-1. Для карбюраторних двигунів вантажних автомобілів і автобусів та дизелів вибирають не менше 7…8 значень п _і в межах від мінімальної частоти обертання колінчастого вала п _min = 800хв^-1; (п _min = 600 хв^-1 для дизелів) до максимальної - п _max, яка дорівнює частоті обертання колінчастого вала при максимальній потужності N _N: п max = п _N. Для карбюраторних двигунів легкових автомобілів, у яких п v найчастіше більше від п _N і відповідно максимальна частота обертання колінчастого вала більша за частоту обертання при максимальній потужності, – не менше 7….8 значень від п _min = 800 хв^-1 до п max = п v (у цьому випадку серед обраних значень обов’язково повинно бути п N);

а, b, c та а1, b1, c1 - емпіричні коефіцієнти (вибирають із табл.4.3 та 4.4);

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

Таблиця 4.3 – Значення коефіцієнтів а, b, c

Коефіцієнт	Тип двигуна
бензиновий	дизель
легкового автомобіля та автобуса	вантажного автомобіля	легкового автомобіля	вантажного автомобіля та автобуса
а	0,9	1,0	0,8	0,7
b	1,1	1,0	1,2	1,3
c	1,0	1,0	1,0	1,0

Таблиця 4.4 – Значення коефіцієнтів а1, b1, c1

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

Результати розрахунків зводять у таблицю (зразок див. табл. 4.5)

Таблиця 4.5 – Параметри швидкісної зовнішньої характеристики двигуна

п і, хв-1	п 1	п 2	п 3	п 4	п 5	п 6	п 7	п 8
п і / п N
Nі, 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 бензинового 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 (4.5)…(4.7) 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 зовнішню характеристику.

Уточнити параметри швидкісної зовнішньої характеристики існуючого бензинового двигуна або дизеля, якщо відсутня його реальна характеристика але відомі максимальні значення потужності Nmax і крутного моменту Мmax та частоти обертання колінчастого вала двигуна п _N та п _м, 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:

Nм = М _max∙ ωм / 1000, (тут ωм = π∙ п м / 30), (4.8)

а також потужність двигуна Nmin при мінімальній частоті обертання колінчастого вала:

Nmin = (0,08….0,10) N max (4.9)

Отримані значення Nм, Nmin та N max підставляють у формулу для Nі та складають три рівняння, розв’язок яких і дозволяє знайти уточнені значення коефіцієнта а, b, c:

(а + b – c) = 1,0 (4.10)

Nм = N max ∙(п м / п _N) [ a + b ∙ (п м / п _N) – с∙(п м / п _N) ²], (4.11)

Nmin = N max ∙(п міп / п _N) [ a + b ∙ (п міп / п _N) – с∙(п міп / п _N) ²], кВт (4.12)

Значно простіше але з достатньою для навчальних розрахунків точністю можна також визначити коефіцієнти а та b при відомих частотах обертання колінчастого вала двигуна η N та η м за формулами:

b = 2∙(п м / п _N) , (4.13)

а = 2 – b, (4.14)

покладаючи при цьому с = 1.

Для уточнення параметрів швидкісної зовнішньої характеристики автомобільного двигуна можна використати залежність Мк = f (ω) у вигляді:

Мк = а ∙ ω²+ b ∙ ω – с, (ω = π∙ п / 30), (4.15)

де а, b, с – сталі коефіцієнти, які визначають за допомогою інтерполяційної формули Лагранжа:

а = Мкmin / А₁₁ + Мк max / А₁₂ + Мк N / А₁₃, (4.16)

b = [(ω _N + ω_м ) Мкmin /А₁₁ + (ω _N +ω_min ) Мк max /А₁₂ + (ω_min+ ω_м ) М_{к N} /А₁₃ ], (4.17)

с = (М_кmin∙ω_м ∙ ω _N / А₁₁+ М_{к max}ω _N ∙ ω_min ) / А₁₂ + М_{к N} ω_min ∙ ω_м / А₁₃ ], (4.18)

де А₁₁ = ω² _min – ω_min (ω _N + ω_м ) + ω _N ∙ ω_м;

А₁₂ = ω² _м + ω_м (ω _N + ω_min ) + ω _N ω_min;

А₁₃ = ω² _N + ω _N (ω_м + ω_min ) + ω_м ω_min;

ω_min, М_кmin – мінімальна стійка кутова швидкість колінчастого вала двигуна, рад/с, та крутний момент, Н ∙ м, при цій кутовій швидкості

(приймають ω_min = (0,3…0,4) ω _N);

М_{к max}, ω_м – максимальний крутний момент двигуна, Н ∙ м, та кутова швидкість колінчастого вала двигуна, рад/с, що відповідають його максимальній потужності.

Зразки швидкісних зовнішніх характеристик двигунів показано на рис.4.1.

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 IVECO);

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

Дата добавления: 2014-01-04