Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Ответы на автомобили
1 билет
1) Термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный, политропный
4.2.1.Изохорный процесс (v=const)
Такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к рабочему телу подводится теплота от источника теплоты (см. рис. 4.1) или отводится теплота от рабочего тела к холодильнику. При изохорном процессе выполняется условие dv=0 или v=const. Уравнение изохорного процесса получим из уравнения состояния идеального газа (см. &1.6) при v=const. В pv-координатах график процесса представляет собой прямую линию, параллельную оси p. Изохорный процесс может протекать с повышением давления (процесс 1-2) и с понижением (процесс 1-2’).
|
Рис. 4.1. График изохорного процесса в p-v координатах |
Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния:p1·v=R·T1; p2·v=R·T2. Следовательно, для изохорного процесса
|
(4.6) |
Приращение внутренней энергии газа
|
(4.7) |
Работа газа
так как dv=0.
Энтальпия газа iv=u+p·v, а div=du+d(p·v)=du+p·dv+v·dp=du+v·dp. Поэтому
|
(4.8) |
Энтропия
То есть
|
(4.9) |
4.2.2.Изобарный процесс (p=const)
В p-v координатах график процесса представляет собой прямую линию параллельную оси v (рис. 4.2). Изобарный процесс может протекать с увеличением объёма (процесс 1-2) и с уменьшением (процесс 1-2’). Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния: p·v1=R·T1; p·v2=R·T2.
|
Рис. 4.2. График изобарного процессав p-v координатах |
Следовательно, для изобарного процесса
|
(4.10) |
Приращение внутренней энергии газа Работа газа Так как p·v2=R·T2, а p·v1=R·T1, то l=R·(T2-T1). Следовательно, газовая постоянная имеет определённый физический смысл: это работа 1 кг газа в изобарном процессе при изменении температуры на один градус. Из выражения (4.3) следует, что в изобарном процессе q=cp·(T2-T1). В соответствии с первым законом термодинамики для изобарного процесса можно записать dq=du+p·dv= du+d(p·v)=di. Поэтому в изобарном процессе di=q=cp·(T2-T1). Из соотношений, характеризующих изобарный процесс, вытекает известное уравнение Майера. Так как dq=cp·dT=cv·dT+dl=cv·dT+R·dT, то R=cp-cv.
Используя выражение (4.5), можно показать, что в изобарном процессе энтропия газа
|
(4.11) |
4.2.3.Изотермический процесс (T=const)
В p-v координатах график процесса изображается равнобокой гиперболой (рис. 4.3). Изотермический процесс может протекать как с увеличением объёма (процесс 1-2), так и с уменьшением объёма (процесс 1-2’).
|
Рис. 4.3. График изотермического процесса вp-v координатах |
Запишем для точек 1 и 2 уравнения состоянияp1·v1=R·T; p2·v2=R·T. Следовательно, для изотермического процесса p1·v1=p2·v2=const.
Приращение внутренней энергии газа
Работа газа
|
(4.12) |
Теплота, подводимая в процессе
|
(4.13) |
Изменение энтальпии газа Δi=Δu+Δ(p·v)=0.
Изменение энтропии газа
|
(4.14) |
4.2.4.Адиабатный процесс
Адиабатный процесс – это процесс, при котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой (dq=0). Для получения графика процесса в p-v координатах выполним некоторые преобразования.
В соответствии с первым законом термодинамики dq=cv·dT+p·dv=c·dT, где с – теплоёмкость термодинамического процесса.
К данным силам относят: силу трения трансмиссии, сопротивления дороги и воздуха.
Сила трения трансмиссии
Мощность от двигателя к ведущим колесам передается агрегатами трансмиссии. Часть мощности при этом затрачивается на преодоление трения между зубьями шестерен коробки передач и ведущего моста, в подшипниках и сальниках, а также на преодоление трения шестерен о масло и на его разбрызгивание. Поэтому тяговая мощность, подводимая к ведущим колесам при равномерном движении автомобиля, несколько меньше эффективной мощности двигателя, на величину, затрачиваемой на преодоление трения в трансмиссии.
КПД трансмиссии не остается постоянным в течение всего срока службы автомобиля. После выпуска автомобиля с завода детали трансмиссии и ходовой части прирабатываются и КПД некоторое время увеличивается. Затем довольно длительное время этот параметр остается примерно постоянным, после чего в результате изнашивания деталей, нарушения их номинальных размеров и образования чрезмерных зазоров, начинает уменьшаться. После капитального ремонта автомобиля и последующей приработки деталей КПД трансмиссии снова возрастает, но уже не достигает прежнего значения.
Сила сопротивления дороги
Взаимодействие автомобиля и дороги сопровождается затратами энергии, которые можно разделить на три группы.
1. Затраты энергии на подъем автомобиля при движении в гору.
При движении на подьеме сила больше чем на спуске и зависит от угла уклона.
2. Деформацию шин и дороги.
Шина соприкасается с дорогой бесконечно большим числом точек. В каждой из них на шину действует бесконечно малая сила —элементарная реакция дороги. Равнодействующую элементарных сил, действующих со стороны дороги на колесо в области контакта, называют реакцией дороги. Во время качения колеса между частями шины возникает трение и выделяющееся тепло рассеивается, что приводит к потере энергии. При качении деформируемого колеса по мягкой дороге энергия затрачивается на преодоление внутреннего трения в шине, деформацию дороги и на трение шины о грунт. Шина врезается в грунт, выдавливает его в сторону и спрессовывает отдельные частицы, образуя колею.
Качение колеса по мягкому грунту вызывает уплотнение частиц грунта под колесом и смещение их в сторону движения автомобиля. На коэффициент сопротивления качению при этом влияют глубина колеи, тип и состояние грунта, диаметр колеса и воспринимаемая им вертикальная нагрузка. Понижение давления воздуха в шине приводит к уменьшению глубины колеи, однако при этом возрастают внутренние потери в шине.
При движении автомобиля по дороге с твердым покрытием коэффициент сопротивления качению увеличивается с уменьшением давления воздуха в шине. При передаче крутящего момента коэффициент немного возрастает, так как шина в этом случае деформируется не только в вертикальном направлении, но и по окружности. При большом передаваемом крутящем моменте элементы протектора проскальзывают по дороге, и на трение в области контакта затрачивается дополнительная энергия.
3. Колебания частей автомобиля.
Ни одно дорожное покрытие не является абсолютно ровным. Неровности создают дополнительное сопротивление движению автомобиля и вызывают колебания его осей, колес и кузова. Во время этих колебаний происходит рассеивание энергии в шине и деталях подвески.
При движении автомобиля нормальные реакции дороги не остаются постоянными, а изменяются под действием сил и моментов, приложенных к автомобилю, например момента, передаваемого от двигателя к колесам автомобиля; моментов сил инерции колес, возникающих при неравномерном движении; моментов сил сопротивления качению; момента, создаваемого любой силой, линия действия которой не проходит через переднюю и заднюю оси автомобиля.
Во время разгона нагрузка на переднюю ось автомобиля уменьшается, а на заднюю — возрастает по сравнению с нагрузками при статическом положении автомобиля. При торможении автомобиля происходит обратное явление. Этим объясняется подъем передней части автомобиля, наблюдаемый при разгоне, и наклон ее вниз («клевок») при торможении. Примерные значения коэффициента приведены в таблице.
|
|
На переднюю ось |
На заднюю ось |
|
При торможении |
1,5 - 2,0 |
0,5 - 0,7 |
|
При ускорении |
0,5 - 0,7 |
1,2 - 1,3 |
Нормальная реакция дороги на передние колеса автомобиля уменьшается, а на задние возрастает с увеличением крутизны подъема, интенсивности разгона автомобиля, а также с ростом сил сопротивления.
Сила сопротивления воздуха
Автомобиль во время движения перемещает частицы окружающего воздуха, и в каждой точке поверхности автомобиля в результате соприкосновения ее с воздушной средой возникают элементарные силы, нормальные к поверхности и касательные к ней. Касательные силы являются силами трения. Нормальные силы создают давление на поверхность автомобиля.
Затраты мощности на преодоление сопротивления воздуха складываются из следующих составляющих:
- лобового сопротивления, вызванного разностью давления воздуха спереди и сзади автомобиля (55—60% всего сопротивления воздуха);
- сопротивления, создаваемого подножками, крыльями и другими выступающими частями автомобиля (12—18%);
- сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство7 (10—15%);
- трения наружной поверхности автомобиля о близлежащие слои воздуха (5—10%);
- сопротивления, вызванного разностью давления сверху и снизу автомобиля (5—8%).
В результате взаимодействия автомобиля и воздуха возникает также вертикальная сила. У серийных автомобилей эта сила направлена вверх и называется подъемной силой. У скоростных автомобилей (гоночных, спортивных) благодаря специальной форме кузова она направлена вниз и увеличивает силу сцепления шин с дорогой. Более подробно читайте про это в статье Автомобиль и сопротивление воздуха.
Автомобиль движется в результате действия на него различных сил. Эти силы разделяют на силы, движущие автомобиль, и силы, оказывающие сопротивление его движению.
Основной движущей силой является сила тяги, приложенная к ведущим колесам. Сила тяги возникает в результате работы двигателя и взаимодействия ведущих колес и дороги. К силам сопротивления относят силу трения в трансмиссии, силу сопротивления дороги и силу сопротивления воздуха.
При определении силы тяги принято, что ее величина зависит лишь от параметров автомобиля. Однако это не означает, что, увеличивая, например, передаточное число трансмиссии, можно реализовать сколь угодно большую силу тяги, так как предельное ее значение ограничено сцеплением шин с поверхностью дороги.
|
Силой сцепления шин с дорогой называют максимальное значение горизонтальной реакции, пропорциональное вертикальной нагрузке на колесо. Один из основных параметров данной системы — коэффициент сцепления. В зависимости от направления скольжения колеса различают коэффициенты продольного (x) и поперечного (бокового) (y) сцепления. |
Влияние на коэффициент сцепления различных факторов
|
При смачивании твердого покрытия коэффициент сцепления резко падает из-за образования пленки из частиц грунта и воды, уменьшающих трение между шиной и дорогой. Коэффициент сцепления понижается особенно значительно, если на покрытии имеется пленка глины. Сильным дождем она может быть смыта, тогда величина сцепления приближается к значениям, характерным для сухого покрытия. На рисунке 1 – сухое покрытие, 2 – начало дождя, 3 – конец дождя. |
|
|
Если сила тяги меньше силы сцепления, то ведущее колесо катится без пробуксовывания. Если сила тяги больше силы сцепления, ведущие колеса пробуксовывают и для движения используется лишь часть силы тяги. С увеличением проскальзывания (или буксования) шины по дороге коэффициент сцепления возрастает, достигая максимума при 20—25% проскальзывания. При полном буксовании ведущих колес может быть на 10—25% меньше максимального. |
|
|
С увеличением скорости движения автомобиля коэффициент сцепления обычно уменьшается. При скорости 40 м/с он может быть в несколько раз меньше, чем при скорости 10—15 м/с. |
На дорогах с твердыми покрытиями коэффициент сцепления зависит главным образом от трения скольжения между шиной и покрытием. На деформируемых дорогах коэффициент сцепления зависит прежде всего от сопротивления грунта срезу и от внутреннего трения в грунте. Выступы протектора ведущего колеса, погружаясь в грунт, деформируют и уплотняют его, увеличивая до некоторого предела сопротивление срезу. Однако затем начинается разрушение грунта, вследствие чего коэффициент сцепления уменьшается.
Большое влияние на коэффициент сцепления оказывает рисунок протектора. При истирании выступов протектора во время эксплуатации ухудшается сцепление шины с дорогой. Наименьший коэффициент сцепления имеют шины, у которых полностью изношен рисунок протектора.
В любых условиях движение колеса с изношенным протектором шин приводит к снижению коэффициента продольного и поперечного сцепления. Так, блокировка колес с изношенным протектором шин в большинстве случаев возникает при нажатии на педаль тормоза с усилием, равным 2/3 нормального усилия, необходимого для блокировки колес с хорошими шинами.
В таблице приведены примерные значения коэффициента сцепление колес с дорогой в зависимости от состояние дороги.
|
Дорога |
Поверхность |
|
|
Сухая |
Мокрая |
|
|
С асфальтобетонным или цементнобетонным покрытием |
0,7 - 0,8 |
0,35 - 0,45 |
|
С щебеночным покрытием |
0,6 - 0,7 |
0,3 - 0,4 |
|
Грунтовая |
0,5 - 0,6 |
0,2 - 0,4 |
|
Обледенелая |
0,1 - 0,2 |
|
|
Покрытая снегом |
0,2 - 0,3 |
Сцепление колес с дорогой зависит и от ряда других факторов, например от качества подвески, давления в шинах. Однако из всех факторов следует выделить три главных: качество и состояние дорожного покрытия, состояние протектора шин и скорость движения автомобиля.
Билет2
1) Теоретический цикл отличается от действительного тем, что в нем отсутствуют потери теплоты, за исключением отдачи теплоты холодному источнику по второму закону термодинамики. Теоретический цикл осуществляется при соблюдении следующих условий:
- цикл является замкнутым (обратимым) и протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела, в качестве которого принимают идеальный газ;
-процесс сгорания топлива в цилиндре заменен мгновенным подводом теплоты от постороннего горячего источника, а процесс выпуска отработавших газов — мгновенным отводом теплоты в холодный источник;
-процессы сжатия и расширения являются адиабатными: протекающими без теплообмена с внешней средой;
-теплоемкость рабочего тела на протяжении всего цикла принимается постоянной для любой температуры.
Для анализа поршневых ДВС используют два основных теоретических цикла:
-Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме — теоретический для карбюраторных и газовых двигателей.
-Смешанный цикл с подводом части теплоты при постоянном объеме и части теплоты при постоянном давлении — теоретический для бескомпрессорных дизелей.
Отвод теплоты у этих циклов осуществляется при постоянном объеме. (это не всё)
2) 2.1. Эксплуатационные свойства автомобилей
Эксплуатационные свойства автомобилей – мощность, экономичность, токсичность ОГ ДВС, динамичность, грузоподъемность, пассажировместимость, комфортабельность, эргономичность автомобиля и другие. Основное эксплуатационное свойство – надежность КЭ и автомобиля в целом.
Свойство надежности является комплексным и включает в себя четыре базовых свойства (что изучается в учебном курсе “Основы эксплуатационной надежности”).
Для оценки безотказности применяют следующие основные показатели: средний ресурс и средний срок службы; гамма-процентный ресурс и гамма-процентный срок службы.
К базовым терминам долговечности автомобиля относятся:
Наработка – продолжительность работы автомобиля или его КЭ.
Ресурс – суммарная наработка автомобиля или его КЭ от начала эксплуатации или её возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации автомобиля (его КЭ) или её возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
3)
Билет3
|
Расчет действительного цикла двигателя состоит из следующих этапов:
|
2) Тяговая динамичность автомобиля зависит от его конструктивных параметров и качества дороги. Из конструктивных факторов наибольшее значение имеют форма скоростной характеристики двигателя, КПД трансмиссии, передаточные числа трансмиссии. Форма скоростной характеристики. Карбюраторный двигатель имеет более выпуклую характеристику, чем дизель, что обеспечивает ему больший запас мощности при той же скорости. Следовательно, будет больше преодолеваемое сопротивление или развиваемое ускорение.
КПД трансмиссии. КПД трансмиссии оценивает величину непроизводительных потерь энергии. Уменьшение КПД, вызванное ростом потерь энергии на трение, приводит к уменьшению силы тяги на ведущих колесах. В результате снижается максимальная скорость автомобиля и максимальный коэффициент сопротивления дороги.
Применение в холодное время года летних трансмиссионных масел, имеющих большую вязкость, приводит к увеличению крутящегося момента, особенно заметному во время трогания автомобиля с места.
Передаточные числа трансмиссии. От передаточного числа главной передачи в большой степени зависит максимальная скорость автомобиля. От передаточного числа первой передачи зависит величина максимального сопротивления дороги, преодолеваемого при равномерном движении. Передаточные числа промежуточных ступеней подбирают таким образом, чтобы обеспечить максимальную интенсивность разгона.
Увеличение числа передач в коробке улучшает тяговую динамичность автомобиля. Хотя динамические факторы на первой и последних передачах в обоих случаях одинаковы, однако, сравнивая максимальные скорости на различных дорогах, видим преимущества четырехступенчатой коробки. Так, на дороге, характеризуемой коэффициентом сопротивления максимальная скорость автомобиля характеризуемых штриховой кривой, что вызывает ухудшение динамичности и топливной экономичности автомобиля.
Масса автомобиля. Повышение массы автомобиля приводит к увеличению силы инерции и сил сопротивления качению и подъему и, как следствие, к ухудшению динамичности автомобиля.
Обтекаемость автомобиля. Для современных легковых автомобилей характерны строгие прямолинейные очертания с плавными переходами, однако нередко зарубежные фирмы в рекламных целях выпускают автомобили с кузовами вычурной формы, имеющими необычный внешний вид и создающими повышенное сопротивление воздуха.
Для уменьшения сопроивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а выступающие детали устанавливают так, чтобы они не выходили за внешние очертания кузова. У гоночных автомобилей число выступающих частей уменьшают до минимума, а заднюю часть кузова делают вытянутой, добиваясь плавного обтекания ее воздухом.
Силу сопротивления воздуха у грузовых автомобилей можно уменьшить, закрыв грузовую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом, или используя специальные щитки (обтекатели), уменьшающие завихрения воздуха.
3) Литровая мощность дает возможность сравнивать мощностные показатели двигателей с разным рабочим объемом:
где: Vn — рабочий объем двигателя в литрах. В настоящее время литровая мощность лучших гоночных двигателей достигает 300 л. с./л.
По литровой мощности спортивные двигатели значительно уступают гоночным. Литровая мощность наиболее форсированных четырехтактных спортивных двигателей составляет 120 л. с./л и двухтактных — 130 л. с./л. (больше найти не смог)
Билет4
1) Тактом рабочего цикла ДВС является ход поршня от одной мёртвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, при 2-тактном — за один.
Присутствуют те же 4 такта: впуск — сжатие — расширение — выпуск. Сначала открывается впускной клапан, поршень идёт вниз, под действием создающегося разрежения в цилиндр поступает свежая топливовоздушная смесь или воздух — это такт впуска. Затем клапан закрывается, поршень идёт вверх — происходит сжатие. Следующий такт: сжатая смесь воспламеняется искрой или в сжатый воздух форсунка впрыскивает топливо, которое самовоспламеняется, поршень под действием этого идёт вниз — это расширение, или рабочий ход поршня. Двигатель совершает полезную работу именно в течение такта расширения. Потом поршень идёт вверх, открывается выпускной клапан, через который продукты сгорания топлива выходят в атмосферу — это такт выпуска.
К данным силам относят: силу трения трансмиссии, сопротивления дороги и воздуха.
Сила трения трансмиссии
Мощность от двигателя к ведущим колесам передается агрегатами трансмиссии. Часть мощности при этом затрачивается на преодоление трения между зубьями шестерен коробки передач и ведущего моста, в подшипниках и сальниках, а также на преодоление трения шестерен о масло и на его разбрызгивание. Поэтому тяговая мощность, подводимая к ведущим колесам при равномерном движении автомобиля, несколько меньше эффективной мощности двигателя, на величину, затрачиваемой на преодоление трения в трансмиссии.
КПД трансмиссии не остается постоянным в течение всего срока службы автомобиля. После выпуска автомобиля с завода детали трансмиссии и ходовой части прирабатываются и КПД некоторое время увеличивается. Затем довольно длительное время этот параметр остается примерно постоянным, после чего в результате изнашивания деталей, нарушения их номинальных размеров и образования чрезмерных зазоров, начинает уменьшаться. После капитального ремонта автомобиля и последующей приработки деталей КПД трансмиссии снова возрастает, но уже не достигает прежнего значения.
Сила сопротивления дороги
Взаимодействие автомобиля и дороги сопровождается затратами энергии, которые можно разделить на три группы.
1. Затраты энергии на подъем автомобиля при движении в гору.
При движении на подьеме сила больше чем на спуске и зависит от угла уклона.
2. Деформацию шин и дороги.
Шина соприкасается с дорогой бесконечно большим числом точек. В каждой из них на шину действует бесконечно малая сила —элементарная реакция дороги. Равнодействующую элементарных сил, действующих со стороны дороги на колесо в области контакта, называют реакцией дороги. Во время качения колеса между частями шины возникает трение и выделяющееся тепло рассеивается, что приводит к потере энергии. При качении деформируемого колеса по мягкой дороге энергия затрачивается на преодоление внутреннего трения в шине, деформацию дороги и на трение шины о грунт. Шина врезается в грунт, выдавливает его в сторону и спрессовывает отдельные частицы, образуя колею.
Качение колеса по мягкому грунту вызывает уплотнение частиц грунта под колесом и смещение их в сторону движения автомобиля. На коэффициент сопротивления качению при этом влияют глубина колеи, тип и состояние грунта, диаметр колеса и воспринимаемая им вертикальная нагрузка. Понижение давления воздуха в шине приводит к уменьшению глубины колеи, однако при этом возрастают внутренние потери в шине.
При движении автомобиля по дороге с твердым покрытием коэффициент сопротивления качению увеличивается с уменьшением давления воздуха в шине. При передаче крутящего момента коэффициент немного возрастает, так как шина в этом случае деформируется не только в вертикальном направлении, но и по окружности. При большом передаваемом крутящем моменте элементы протектора проскальзывают по дороге, и на трение в области контакта затрачивается дополнительная энергия.
3. Колебания частей автомобиля.
Ни одно дорожное покрытие не является абсолютно ровным. Неровности создают дополнительное сопротивление движению автомобиля и вызывают колебания его осей, колес и кузова. Во время этих колебаний происходит рассеивание энергии в шине и деталях подвески.
При движении автомобиля нормальные реакции дороги не остаются постоянными, а изменяются под действием сил и моментов, приложенных к автомобилю, например момента, передаваемого от двигателя к колесам автомобиля; моментов сил инерции колес, возникающих при неравномерном движении; моментов сил сопротивления качению; момента, создаваемого любой силой, линия действия которой не проходит через переднюю и заднюю оси автомобиля.
Во время разгона нагрузка на переднюю ось автомобиля уменьшается, а на заднюю — возрастает по сравнению с нагрузками при статическом положении автомобиля. При торможении автомобиля происходит обратное явление. Этим объясняется подъем передней части автомобиля, наблюдаемый при разгоне, и наклон ее вниз («клевок») при торможении. Примерные значения коэффициента приведены в таблице.
|
|
На переднюю ось |
На заднюю ось |
|
При торможении |
1,5 - 2,0 |
0,5 - 0,7 |
|
При ускорении |
0,5 - 0,7 |
1,2 - 1,3 |
Нормальная реакция дороги на передние колеса автомобиля уменьшается, а на задние возрастает с увеличением крутизны подъема, интенсивности разгона автомобиля, а также с ростом сил сопротивления.
Сила сопротивления воздуха
Автомобиль во время движения перемещает частицы окружающего воздуха, и в каждой точке поверхности автомобиля в результате соприкосновения ее с воздушной средой возникают элементарные силы, нормальные к поверхности и касательные к ней. Касательные силы являются силами трения. Нормальные силы создают давление на поверхность автомобиля.
Затраты мощности на преодоление сопротивления воздуха складываются из следующих составляющих:
- лобового сопротивления, вызванного разностью давления воздуха спереди и сзади автомобиля (55—60% всего сопротивления воздуха);
- сопротивления, создаваемого подножками, крыльями и другими выступающими частями автомобиля (12—18%);
- сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство7 (10—15%);
- трения наружной поверхности автомобиля о близлежащие слои воздуха (5—10%);
- сопротивления, вызванного разностью давления сверху и снизу автомобиля (5—8%).
В результате взаимодействия автомобиля и воздуха возникает также вертикальная сила. У серийных автомобилей эта сила направлена вверх и называется подъемной силой. У скоростных автомобилей (гоночных, спортивных) благодаря специальной форме кузова она направлена вниз и увеличивает силу сцепления шин с дорогой. Более подробно читайте про это в статье Автомобиль и сопротивление воздуха.
3) 3. Тепловой баланс котла по упрощенной методике теплотехнических расчетов Равича М.Б. и КПД (брутто) котлоагрегата
Составление теплового баланса котлоагрегата заключается в установлении равенства между поступившим в агрегат количеством теплоты, называемым располагаемой теплотой , и суммой полезно использованной теплоты и тепловых потерь . На основании теплового баланса вычисляется КПД и необходимый расход топлива.
Общее уравнение теплового баланса имеет вид (в абсолютных величинах), кДж/кг:
.
Принимая за 100%, находим составляющие баланса (qi) в относительных единицах. Тогда .
КПД котлоагрегата (брутто) по обратному балансу
,
где q2=6,22% потери теплоты с уходящими газами; q3 = 0% потери теплоты в котлоагрегате с химическим недожогом; q4 = 0,33% потери теплоты в котлоагрегате от механической неполноты сгорания топлива; q5 = 0,935% потери теплоты от наружного охлаждения; q6 = 0,00096% потери с физической теплотой шлаков.
Относительная погрешность определения КПД котлоагрегата (брутто) методом обратного баланса составила:
.
Потери теплоты с уходящими газами по [4]
,
где tух=145С температура уходящих газов; tхв=30С температура холодного воздуха; tмакс=2015,86С жаропроизводительность топлива с учетом влаги в воздухе; c=0,835-отношение средней теплоемкости не разбавленных воздухом продуктов горения в температурном интервале от 0С до tух=145С к их теплоемкости в температурном интервале 0С до tмакс =2042,26С по табл. 14-12 [5]; h изменение объема сухих продуктов горения в реальных условиях и при теоритических; соотношение объемов влажных и сухих продуктов горения при α=1; k = 0,79 отношение средней теплоемкости 1м3 воздуха в температурном интервале от 0С до tух=145С к теплоемкости 1м3 неразбавленных воздухом продуктов горения в температурном интервале от 0С до tмакс =2042,26С по табл. 14-12 [5].
Потери теплоты в котлоагрегате по [4] с химическим недожогом отсутствуют q3=0%.
Потери теплоты по [4] в котлоагрегате от механической неполноты сгорания топлива
%,
где Qун теплота сгорания уноса, отнесенная к 1м3/кг продуктов горения, ккал/м3; P максимальное теплосодержание сухих продуктов горения топлива, ккал/м3.
Теплота сгорания уноса, отнесенная к 1м3 продуктов горения [4]:
ккал/м3,
где aун=0,95 доля золы топлива в уносе; сун=3% содержание горючих в золе-уносе.
Потери теплоты от наружного охлаждения котлоагрегата принимаются по рис. 4-9 из [2] при номинальной нагрузке (50т/ч) и составляют .
Потери с физической теплотой шлаков рассчитываются по формуле [6]
,
где ашл=1 аун = 10,95=0,05 доля золы в шлаке по табл.2.6 из [6]; (сt)шл=0,56 кДж/кг энтальпия шлака при твердом шлакоудалении при температуре tшл=600С по табл.3.5 из [6].
Билет5
Как следует из названия, рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.
1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.
2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степень сжатия . Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо́льшим октановым числом, которое дороже.
3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы основная масса бензовоздушной смеси успела воспламениться к моменту, когда поршень будет находиться в ВМТ (процесс воспламенения является медленным процессом относительно скорости работы поршневых систем современных двигателей). При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством, центробежным вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель. В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику. В этом случае используется датчик положения коленчатого вала, работающий обычно по емкостному принципу.
4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.
Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.
2)
|
Силовой и мощностной балланс
|
3) Индикаторной мощностью Ni называют мощность, развиваемую газами внутри цилиндра двигателя. Единицами измерения мощности являются лошадиные силы (л. с.) или киловатты (квт); 1 л. с. = 0,7355 квт.
Для определения индикаторной мощности двигателя необходимо знать среднее индикаторное давление pi т. е. такое условное постоянное по величине давление, которое, действуя на поршень в течение только одного такта сгорание—расширение, могло бы совершить работу, равную работе газов в цилиндре за весь цикл.
Это давление pi можно подсчитать по полезной площади индикаторной диаграммы (на рис. 1 и 2 она заштрихована). Для карбюраторных двигателей величина рi составляет 8—12 кг/см2, а для дизельных — 7,5—10,5 кг/см2.
Если известно pi, то индикаторную мощность четырехтактного двигателя можно выразить следующей формулой:
где pi — среднее индикаторное давление, кг/см2;
Vл — сумма рабочих объемов всех цилиндров (литраж) двигателя дм3 или л;
n — число оборотов коленчатого вала в минуту.
Литраж двигателя определяется по формуле:
где π — постоянное число, равное 3,14;
D — диаметр поршня, дм;
S — ход поршня, дм;
i — число цилиндров двигателя.
Эффективной мощностью Ne называют мощность, получаемую на коленчатом валу двигателя. Она меньше индикаторной мощности Ni на величину мощности, затрачиваемой на трение в двигателе (трение поршней о стенки цилиндров, шеек коленчатого вала о подшипники и др.) и приведение в действие вспомогательных механизмов (газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и топливного насосов, генератора и др.).
Для определения величины эффективной мощности двигателя можно воспользоваться приведенной выше формулой для индикаторной мощности, заменив в ней среднее индикаторное давление piсредним эффективным давлением ре (ре меньше pi на величину механических потерь в двигателе).
На практике эффективную мощность Nе определяют путем испытания двигателя на тормозных стендах (электрических или гидравлических), пользуясь следующей формулой:
где Ме — крутящий момент двигателя, кгм, равный произведению окружной силы на маховике на радиус маховика;
n — число оборотов коленчатого вала в минуту.
Эффективная мощность повышается с увеличением крутящего момента и числа оборотов коленчатого вала (до некоторого предела).
Эффективная мощность и крутящий момент тем больше, чем больше:
Предельные значения степени сжатия ограничиваются свойствами применяемого топлива — октановым числом бензина.
Эффективная мощность изменяется с изменением угла опережения зажигания. Наивыгоднейшая величина этого угла зависит от числа оборотов коленчатого вала, нагрузки двигателя, сорта топлива и состава смеси.
Эффективная мощность тем больше, чем меньше потери на трение в двигателе и приведение в действие вспомогательных механизмов двигателя.
Литровой мощностью называют наибольшую эффективную мощность, получаемую с одного литра рабочего объема цилиндров двигателя.
Литровая мощность карбюраторных двигателей современных легковых автомобилей достигает 40—50 л. c. / л.
Одним из способов повышения, эффективной мощности двигателя без существенного увеличения его веса является наддув. Так, Ярославский моторный завод производит V-образные четырехтактные дизельные двигатели с турбонаддувом: 8-цилиндровые ЯМЗ-238Н (300—320 л. с.) и 12-цилиндровые ЯМЗ-240Н (500—520 л. с.).
Билет6
|
Фазы горения |
|
Экономичность |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Во время процесса впуска в камеру сгорания поступает свежий заряд топливной смеси, и начинается его перемешивание с находящимися там остаточными газами. Процесс перемешивания продолжается и во время такта сжатия, когда после появления искры на электродах свечи зажигания начинается процесс горения. В результате появления искры образуется некоторый объем плазмы и формируется ядро пламени, которое может распространяться в несгоревшем заряде топливной смеси. Процесс воспламенения и начальный этап горения, на котором формируется ядро пламени, определяются в основном химическими реакциями и свойствами топливной смеси. Причем начальный этап горения более чувствителен к характеристикам потоков горящих газов в зоне горения и около нее. Когда ядро пламени становится достаточно большим, оно постепенно преобразуется в развитое распространяющееся пламя. Процесс распространения пламени обычно определяется законами механики жидкости и газа; в зависимости от характеристик потока газа и состава заряда топливной смеси существенное значение на этом этапе могут иметь и химические явления. В конце концов пламя охватывает почти всю смесь, а на заключительной стадии процесса сгорания около стенок оно медленно затухает и гасится в результате теплоотвода в стенки. Процесс догорания несгоревших газов после гашения пламени является диффузионным процессом. Весь процесс горения является неустановившимся процессом, но, исходя из приведенного выше краткого описания, его в соответствии с развитием зоны горения можно разделить на следующие этапы:
Это деление пригодно для нормально происходящих процессов сгорания при отсутствии таких явлений, как пропуски зажигания, неполное сгорание или детонация. Указанные явления нарушают нормальный процесс сгорания, и возможность их появления характеризует предельные режимы работы двигателя в заданных условиях. Поскольку на каждом из четырех этапов сгорания определяющую роль играют различные процессы, в последующих разделах эти этапы будут рассмотрены отдельно. 2) Во время испытаний автомобиля на динамичность определяют минимальную устойчивую и максимальную скорости движения, максимальное ускорение, время и путь разгона и выбега, а также тяговую силу на его колесах. Динамические испытания автомобиля делятся на дорожные и стендовые. Дорожные испытания наиболее полно отражают условия эксплуатации, но точность их невысока. На стендах создаются стабильные условия испытаний, применяется современная аппаратура, обрабатывающая результаты измерений автоматически. Стендовые испытания можно проводить в любое время года. Однако на стендах трудно, а в некоторых случаях невозможно воспроизвести реальные условия эксплуатации. Поэтому дорожные испытания дополняют стендовые и наоборот. Перед проведением испытаний определяют массовые показатели автомобиля и коэффициенты сопротивления качению и сцепления шин с дорогой. Непосредственно перед началом испытаний все агрегаты автомобиля должны быть прогреты (пробег в течение 0,5—1 ч), а в период испытаний температура охлаждающей среды и масла должна поддерживаться в установленных пределах. Температура воздуха должна быть от +5 до +25 °С при скорости ветра не более 3 м/с. Испытания проводят на ровном горизонтальном участке дороги с асфальтобетонным покрытием при полной нагрузке. При испытаниях автомобилей определяются такие показатели, как скоростные характеристики: разгон—выбег на высшей и предшествующей передачах и при движении по дороге с переменным продольным профилем, кроме того, максимальная и условная максимальная скорости, время разгона на участках пути длиной 400 и 1000 м, а также время разгона до заданной скорости. Скоростная характеристика определяется на участке длиной 13—15 км. Участок пути с переменным продольным профилем должен содержать подъем и спуск длиной 500—700 м с уклоном 4—5 %. Разгон автомобиля при определении характеристики разгон—выбег проводится до наибольшей скорости на пути 2000 м Максимальная скорость определяется на высшей передаче при полной подаче топлива. Условная максимальная скорость определяется при разгоне автомобиля с места как средняя скорость прохождения последних 400 м участка пути длиной 2000 м. По характеристике разгон—выбег определяют время разгона на участках пути 400 и 1000 м, а также время разгона до заданной скорости. Минимальную устойчивую скорость устанавливают на двух последовательных участках движения по 100 м каждый, с промежутком между ними 200—300 м. Установление постоянной скорости движения должно обеспечиваться до въезда автомобиля на первый участок. На промежуточном участке скорость увеличивается до 20—25 км/ч путем резкого увеличения подачи топлива. Перед входом на второй участок скорость автомобиля опять снижается. При движении автомобиля с прямой передачей проводят также испытания на приемистость автомобиля путем резкого разгона с начальной скоростью 15 км/ч до скорости, составляющей 80 % от максимальной на этой передаче. 3) Билет7 1) Фазы процесса сгорания у дизелейПериод от начала впрыска до начала повышения давления над линией сжатия представляет собой первую фазу процесса сгорания - период задержки воспламенения. В течение этого периода топливо, поступившее в цилиндр, проходит стадию предварительной физико-химической подготовки к воспламенению. Одним из основных условий наивыгоднейшего протекания процесса сгорания в дизеле является максимальное сокращение периода задержки воспламенения. Продолжительность периода задержки воспламенения зависит главным образом от температуры и давления воздуха в цилиндре к моменту впрыска топлива, мелкости распыливания и физико-химических свойств топлива (цетанового числа и др.), наличия в камере сгорания нагретых тел (катализаторов) и вихревых движений газов в цилиндре в конце сжатия. Значительного сокращении периода задержки воспламенения можно добиться повышением температуры и давления воздуха в конце сжатия. Поэтому у дизелей с наддувом период задержки воспламенения меньше, чем у дизелей без наддува. Для сокращения периода задержки воспламенения желательно применять топливо с цетановым числом не менее 40-45. Влияние вихревых движений газов на период задержки воспламенения зависит от температуры в конце сжатия. При низкой температуре газов период задержки воспламенения вследствие вихревых движений может возрасти. Вторая фаза процесса сгорания - период воспламенения и начального горения. Этот период соответствует промежутку времени от начала воспламенения до момента достижения максимального давления цикла. От характера протекания второй фазы зависит жесткость работы дизеля. Количественная оценка жесткости работы дизеля выражается скоростью нарастания давления. Процесс сгорания во второй фазе характеризуется возрастающим тепловыделением. Третья фаза (период основного горения) продолжается от момента достижения максимального давления до точки, в которой температура цикла достигает наибольшей величины. Эта фаза характеризуется высокой скоростью сгорания, а также интенсивным и приблизительно постоянным по величине тепловыделением. Протекание процесса сгорания в этой фазе оказывает большое влияние на величину к. п. д. цикла и полноту сгорания. Сокращение продолжительности третьей фазы и более полного сгорания топлива в течение этого периода может быть достигнуто интенсивным перемешиванием топлива с воздухом. Четвертая фаза (замедленное горение или догорание) протекает при снижающихся температуре и давлении газов. Этот период начинается после основного горения и продолжается до конца горения. Замедленное горение происходит при сокращающемся тепловыделении. Ввиду того, что при замедленном горении (догорании) избыток кислорода невелик, а температура и давление газов быстро уменьшаются, иногда может происходить неполное сгорание топлива, сопровождающееся дымным выпуском. Чем меньше топлива сгорает во время четвертой фазы, тем экономичнее работает дизель. ← предыдущая следующая → Стоимость печати на ткани. Термотрансферная печать на ткани. Нанесение логотипа на футболки. 2) СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА АВТОМОБИЛЬ При движении автомобиль преодолевает силы сопротивления качению, воздуха, подъема, инерции, а при движении на повороте на него действует боковая сила. Проявление сил, действующих на автомобиль при движении, может оказаться неожиданным для неопытного водителя и привести к дорожно-транспортному происшествию. Чтобы этого избежать, необходимо знать какие силы влияют на автомобиль во время движения, а также научиться учитывать эти силы и рационально их использовать (рис. 1): 1) сила тяжести; Рис. 1. Трогание и движение автомобиля по дороге возможны только при условии, что сила тяги, развиваемая двигателем и приложенная в месте контакта колес с дорогой, превышает суммарные силы сопротивления, действующие на автомобиль. При этом обязательным условием является достаточное сцепление колес автомобиля, особенно ведущих, с поверхностью дороги, иначе они будут буксовать. Сила сцепления зависит от массы, приходящейся на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора. Если прекратить приложение силы тяги, то на горизонтальной дороге автомобиль под действием сил сопротивления постепенно остановится. Автомобиль может быть остановлен с помощью тормозной системы. Эффективность торможения зависит от конструкции тормозов, от величины тормозного момента, состояния шин и дороги. Тормоза современных автомобилей могут развивать момент, намного превышающий силы сцепления колес с дорогой. Поэтому в практике наблюдается юз, когда колеса автомобиля блокируются и скользят по дороге, не вращаясь. При этом из-за сильного нагрева резины ухудшается сцепление колес с дорогой и удлиняется тормозной путь до 50%. Кроме того, автомобиль может потерять управление. Поэтому надо учиться тормозить без блокировки колес. На современных автомобилях устанавливаются регуляторы тормозных сил, препятствующие возникновению блокировки колес. Для оценки влияния состояния дороги на силу сцепления служит коэффициент сцепления, который зависит от вида покрытия дороги и от его состояния. Мокрая, грязная дорога уменьшает величину коэффициента, а следовательно, и силу сцепления примерно наполовину. Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения. При пониженном коэффициенте сцепления резко возрастает путь, затрачиваемый автомобилем на торможение. Различают тормозной и остановочный путь (рис. 2). Последний определяется с момента обнаружения опасности до полной остановки автомобиля, а тормозной путь отсчитывается от момента включения тормозной системы до полной остановки и зависит в основном от конструкции тормозов. Длина остановочного пути во многом зависит от водителя, так как в него входит путь, проходимый автомобилем за время реакции водителя, которое в зависимости от сложности ситуации и особенностей водителя колеблется в среднем от 0,2 до 1,2 с. При этом тормозной путь только из-за различного времени реакции может отличаться почти на 17 м при начальной скорости 60 км/ч, а путь, проходимый автомобилем за время реакции водителя, может составлять почти половину всего остановочного пути. Рис. 2. Поэтому водитель, зная места вероятного появления опасности (остановка общественного транспорта, проезд детских учреждений, пересечений, мест с ограниченным обзором и т. д.), заранее переносит ногу на педаль тормоза. При реальном появлении опасности он сразу же нажимает на педаль тормоза, затрачивая 0,2-0,3 с. Остановочный путь при скорости 60 км/ч на сухом асфальтированном покрытии составляет около 37 м, на мокром - 60м, на обледенелой дороге - 152 м. Это должен учитывать водитель при выборе безопасной скорости движения в зависимости от состояния дороги. Если управляемые колеса автомобиля повернуть, то на автомобиль начинает действовать боковая сила, стремящаяся сместить его от центра поворота. Водитель обычно сразу ощущает это, у автомобиля появляется боковой крен, и его отклоняет в противоположную сторону. Если боковая сила превышает силы бокового сцепления с дорогой, то автомобиль начинает скользить вбок (заднеприводный — заносить), увеличивая радиус поворота. Поэтому он может не вписаться в поворот, съехать с дороги и даже опрокинуться. Действие боковой силы зависит от радиуса поворота и скорости движения автомобиля. Чем радиус поворота больше, тем ее действие меньше. Поэтому опытный водитель стремится максимально увеличить радиус поворота, используя всю ширину полосы движения, но не выезжая на полосу встречного движения. Скорость движения на повороте изменяет боковую силу в квадратичной зависимости: если скорость увеличить в 2 раза, действие боковой силы возрастет в 4 раза. Поэтому снижение скорости перед входом в поворот является обязательным условием его безопасного прохождения, за исключением дорог, где скорость лучше увеличить. Тогда действующая боковая сила сильнее прижмет автомобиль к полотну дороги. Устойчивое (без заноса) движение на повороте зависит также от состояния шин и дороги, силы бокового сцепления колес с дорогой, от особенностей привода на ведущие колеса (заднеприводные, переднеприводные, полноприводные) и от расположения груза. Занос и опрокидывание возникают скорее на скользкой дороге у заднеприводного автомобиля с грузом, значительно выступающим за боковые борта. Наиболее устойчивы к заносу полноприводные и переднеприводные автомобили. При движении на повороте вследствие боковой эластичности шин происходит некоторый снос автомобиля (без проскальзывания) в сторону, противоположную повороту рулевого колеса. Явление увода также может возникнуть под действием сильных порывов ветра. Чем выше скорость движения на повороте, тем больше увод. Это явление имеет в определенных условиях серьезное значение для безопасности движения, и водитель должен уметь его учитывать. Если водитель не сумеет компенсировать боковой увод соответствующим поворотом руля, то при правом повороте его вынесет на полосу встречного движения, а при левом повороте — утянет на обочину. Боковой увод из-за воздействия ветра обычно компенсируют соответствующим поворотом рулевого колеса. Поэтому при въезде в зону затишья нужно уменьшить угол поворота рулевого колеса, чтобы избежать резкого изменения направления движения. 3) Водитель является оператором в системе "человек - машина". Поведение этой системы зависит как от действий водителя - его умения, опыта, навыков, так и от эксплуатационных качеств автомобиля. Неудовлетворительные эксплуатационные параметры транспортного средства могут усугубить ошибки водителя или даже явиться непосредственной причиной этих ошибок. Так, неудовлетворительная динамика автомобиля приводит к затяжным обгонам и долгим перестроениям. Водитель, начавший обгон на автомобиле с плохой динамикой, может оказаться в трудном положении. Если видимость ограничена или обгон происходит в условиях высокой интенсивности движения, такой водитель будет длительное время занимать встречную полосу, создавая серьезные помехи для движения. Неудовлетворительная обзорность с места водителя также может явиться причиной возникновения аварийных ситуаций, поскольку стойки кузова, капот автомобиля скрывают от водителя часть дороги и не позволяют ему надежно прогнозировать развитие ситуаций. Автомобиль характеризуется большим количеством различных эксплуатационных параметров, к которым, в частности, относятся: скоростные свойства, вместимость, топливная экономичность, долговечность, проходимость, безопасность, удобство использования, маневренность, приспособленность к обслуживанию и ремонту и ряд других. Рассмотрим лишь те эксплуатационные свойства, от которых непосредственно зависит безопасность дорожного движения. Обычно принято говорить об активный и пассивной безопасности транспортных средств. Активна безопасность характеризуется комплексом эксплуатационных качеств, способствующих предотвращению дорожных происшествий. К этим качествам относятся, в первую очередь, динамика разгона, эффективные тормоза, хорошая управляемость и устойчивость автомобиля против заноса и опрокидывания, наличие надежной световой и звуковой сигнализации, комфортность рабочего места водителя. Пассивная безопасность определяется такими качествами автомобиля, которые при возникновении дорожного происшествия способствуют снижению тяжести его последствий для лиц, находящихся внутри автомобиля. К этим качествам относятся энергопоглощающие свойства передней и задней частей автомобиля, надежность запирания дверных замков, безосколочное ветровое стекло, энергопоглощающая рулевая колонка, ремни безопасности, отсутствие в салоне выступающих предметов, способных намести травмы. В особую группу выделяют эксплуатационные свойства, обеспечивающие "послеаварийную безопасность". Этим понятием охватываются такие качества автомобиля, как возможность быстрой эвакуации людей из салона, пожарная безопасность, включая наличие на транспортном средстве огнетушителя. Тормозные качества являются одним из главных эксплуатационных свойств автомобиля. От эффективности тормозов зависит безопасная дистанция и, в конечном счете, пропускная способность улично-дорожной сети (см. §.11). В общем виде остановочный путь автомобиля S0 складывается из трех отрезков пути: S0 = Sp + Sп + Sт, где Sр - путь, проходимый за время реакции водителя, м; Sп - путь, проходимый за время срабатывания тормозного привода (в конце этой фазы начинается эффективное торможение); Sт - собственно торможение. Таким образом, тормозной путь определяется отрезками Sп + Sт, т. е. тем расстоянием, которое пройдет автомобиль с момента приложения водителем усилия к тормозной педали до полной остановки автомобиля. Время реакции водителя изменяется в широких пределах и, следовательно, существенно влияет на величину остановочного пути. Простая реакция, например реакция на красный сигнал светофора, включает в себя время восприятия сигнала и время, необходимое для нажатия на педаль тормоза. Обычно время простой реакции колеблется от 0,4 до 0,6 с. Сложная реакция - это реакция на заранее неизвестный раздражитель в сложных условиях движения, например реакция на неожиданный маневр движущегося впереди транспортного средства. Время сложной реакции может достигать 1,5 - 2,0 с. В обычных расчетах остановочного пути принимают чаще всего время реакции равным 1 - 1,5 с, Бремя срабатывания тормозного привода зависит от типа тормозной системы: у гидравлических и механических тормозов это время составляет 0,1 с, у пневматических - 0,3 с. Замедление до максимального значения нарастает постепенно и зависит от нагрузки автомобиля и скорости движения транспортного средства. Для отечественных автомобилей при экстренном торможении без нагрузки на сухом асфальтобетоне принимаются такие величины времени срабатывания тормозных приводов: при наличии гидравлического привода: У легковых автомобилей - 0,25 с у грузовых " - 0,30 с у автобусов " - 0,35 с; при наличии пневматического привода: у грузовых автомобилей до 4 т грузоподъемности - 0,7 - 0,9 с у грузовых автомобилей более 4 т грузоподъемности - 0,8 - 1,0 с у автобусов - 0,9 - 1,1 с у автопоездов - 0,7 - 3,0 с. Совершенно очевидно, что время срабатывания тормозного привода, как и время реакции водителя, влияет на длину остановочного пути, и водители должны учитывать эти особенности управляемого ими автомобиля. Минимальные нормы эффективности тормозов приведены в Правилах дорожного движения. Проверка тормозных качеств, находящихся в эксплуатации транспортных средств, должна производиться на сухом горизонтальном участке дороги с твердым покрытием, имеющим коэффициент сцепления не менее 0,6. Напомним, что в Правилах приводятся нормы длины тормозного пути, т. е. отрезков Sп + Sт Динамика автомобиля для безопасности движения имеет, пожалуй, не менее важное значение, чем эффективные тормоза. Наличие в транспортном потоке разнородных по динамическим качествам автомобилей приводит к необходимости обгонов, маневрирования, затрудняет быстрое освобождение перекрестков, создает серьезные препятствия при преодолении подъемов. Разнородный состав транспортного потока резко снижает среднюю скорость на дороге, способствует возникновению аварийных ситуаций. Сегодня считается, что время разгона лучше характеризует уровень совершенства автомобиля, чем максимальная скорость, реализация которой ограничена пределами, установленными Правилами дорожного движения. Обычно динамику легкового автомобиля оценивают по времени, необходимому для разгона от 0 до 80 или 100 км/ч или времени, затрачиваемому на прохождение первых 400 или 1000 м пути. По сведениям, публикуемым в печати*, показатели динамики автомобилей постоянно улучшаются. Если десять лет назад время разгона лекгового автомобиля до 100 км/ч В пределах 20 с считалось удовлетворительным, то теперь средний показатель по наиболее массовым моделям автомобилей малого класса составляет 13,5 с, а по автомобилям особо малого класса 14,1 с. Лучшие образцы автомобилей среднего класса имеют показатели динамики разгона 10 - 12 с. * (Немцов Ю. М., Майборода О. В. Эксплуатационные качества автомобиля, регламентированные требованиями безопасности движения. М., Транспорт, 1977, 141 с.) Отметим, что автомобиль ВАЗ-2101 или ГАЗ-24 разгоняются до скорости 100 км/ч за 22 с, автомобиль ЗИЛ-117 - за 13,5 с. В целях максимального использования динамических качеств автомобиля водителям необходимо помнить, что переключение передач должно осуществляться при достижении такой частоты вращения коленчатого вала двигателя, при которой достигается его максимальная мощность. На шкале спидометров автомобилей "Жигули" нанесены метки, показывающие до какой скорости надо "раскручивать" двигатель при переключении передач. Контроль момента переключения можно осуществлять и по тахометру - прибору, показывающему скорость вращения коленчатого вала двигателя. Улучшение разгонной динамики достигается также правильной регулировкой двигателя, ходовой части автомобиля, поддержанием нормального давления в шинах. Управляемость и устойчивость автомобили - эксплуатационные качества, определяющие возможность для водителя поддерживать желаемую траекторию движения. Под управляемостью понимается способность транспортного средства сохранять заданное водителем направление на дороге и быстро "откликаться" на повороты рулевого колеса. Это свойство автомобиля обеспечивается соответствующим конструированием передней подвески, углами установки управляемых колес, давлением воздуха в шинах. На управляемость значительное влияние оказывает так называемый боковой увод колес, который возникает вследствие эластичности шин (особенно радиальных). Из-за различного распределения нагрузки на колеса, бокового ветра, неровностей дороги и других факторов фактическое направление качения каждого колеса в каждый момент времени не совпадает с плоскостью его качения. Это явление и называют боковым уводом. В зависимости от соотношения величины увода шин передних и задних колес различают автомобили с излишней и недостаточной поворачиваемостью. Излишняя поворачиваемость усложняет управление, особенно на поворотах, когда автомобиль поворачивается на больший угол, чем желает водитель. Излишняя поворачиваемость увеличивается, если давление воздуха в шинах передних колес значительно превышает давление в задних колесах и если центр тяжести смещается к задней оси (при перегрузке задней части легкового автомобиля или неправильном расположении груза в кузове грузового автомобиля). Недостаточная поворачиваемость в определенных пределах является положительным эксплуатационным качеством, способствующим стабилизации заданного направления движения. Однако автомобиль с излишне большой недостаточной поворачияаемостью становится трудно управляемым, особенно на поворотах. Водителю приходится поворачивать руль на больший угол и с большим усилием, чем это надо для автомобиля с нормальной поворачиваемостью. Появлению недостаточной поворачиваемое способствует езда на приспущенных шинах передних колес и перегруз передней части автомобиля. Устойчивость - это свойство автомобиля двигаться без бокового скольжения (заноса) и опрокидывания. Устойчивость определяется конструктивными особенностями автомобиля, расположением груза и способом управления. Занос возникает из-за нарушения силового замыкания в зоне контакта колеса с дорогой под влиянием поперечной (центробежной) силы: где G - сила тяжести автомобиля, кгс; R - радиус поворота центра тяжести автомобиля, м; V - скорость, км/ч. Поперечная сила Р возникает как при движении по кривой постоянного радиуса, так и в результате неосторожного поворота рулевого колеса (чем резче поворот рулевого колеса, тем больше поперечная сила). Если P>φ1G, то возникает боковой занос (здесь φ1 - коэффициент сцепления шин с покрытием в поперечном направлении - при торможении или разгоне составляет 80 - 90% величины коэффициента сцепления). Для предотвращения бокового скольжения обычно начинают скользить колеса задней оси) необходимо плавно повернуть управляемые колеса в сторону начавшегося заноса, тем самым увеличивая радиус R и уменьшая поперечную силу Р. Опрокидывание автомобиля происходит, как правило, при высоком расположении груза. Скорость, превышение которой приводит к опрокидыванию, можно рассчитать по формуле: где R - радиус поворота, м; В - ширине колеи автомобиля, м; Н - высота центра тяжести, м. Из этой формулы следует, что с повышением центра тяжести автомобиля (автомобиль с грузом) и уменьшением радиуса поворота уменьшается и критическая скорость безопасного движения. Известно, что у груженых автомобилей центр тяжести выше чем у порожних. Так, у автомобиля ЗИЛ-130 в груженом состоянии H = 1200 мм, а у того же автомобиля без груза Н = 885 мм. Светотехническое оборудование является элементом активной безопасности автомобиля и поэтому должно постоянно поддерживаться в исправном состоянии. Количество, характеристики и расположение светотехнических приборов определены действующими в СССР стандартами и Правилами дорожного движения. Установлено, что на автомобиле должно быть по две фары ближнего и дальнего света. Фары ближнего света должны располагаться не ниже 500 мм (нижний край) и не выше 1200 мм (верхний край) от поверхности дороги и не дальше 400 мм (наружный край) от габарита по ширине. Цвет фар ближнего и дальнего света должен быть обязательно одинаковым - либо белым, либо желтым. Суммарная максимальная сила света фар ближнего света должна быть не более 12 300 кд, а дальнего света - 75 000 кд. Правила дорожного движения предусматривают пользование ближним светом фар при снижении видимости до 300 м. Поэтому для безопасности движения важное значение имеет правильная регулировка фар в строгом соответствии с требованиями инструкции завода-изготовителя. В противном случае неизбежно либо резкое ухудшение параметров видимости, либо ослепление встречных водителей. Рассеиватели фар должны содержаться в чистоте, поскольку при их загрязнении существенно снижается световой поток и ухудшаются условия освещения дороги. К светотехническому оборудованию относятся также противотуманные фары, габаритные фонари, указатели поворота, стоп-сигналы. В отношении противотуманных фар действующие Правила устанавливают, что их нижний край не должен быть ниже, чем 250 мм от поверхности дороги. Использование противотуманных фар целесообразно при ухудшении метеорологической видимости из-за снегопада, дождя, тумана, а также при движении по извилистым дорогам. Противотуманные фары можно включать как самостоятельно, так и вместе с фарами ближнего или дальнего света. Включение противотуманных фар не приводит к ослеплению, поскольку они обеспечивают направленный вниз и резко ограниченный по высоте пучок света. Исправные указатели поворота, габаритные фонари и стоп-сигналы служат своего рода средствами идентификации режима движения автомобиля и потому от их состояния и четкой различимости во многом зависит безопасность движения, особенно в плотных транспортных потоках. Неисправные стоп-сигналы могут явиться причиной наезда на неожиданно затормозившее транспортное средство. Поэтому для всех водителей должна стать правилом каждодневная проверка работоспособности всех средств световой сигнализации автомобиля. Рабочее место водителя. Среди важных для безопасности движения эксплуатационных качеств автомобиля следует упомянуть также и характеристики рабочего места водителя. Неудобное сиденье, неудачно расположенные органы управления, плохой обзор, плохая вентиляция-все это усложняет управление автомобилем, способствует преждевременному появлению усталости, снижает качество вождения. Особенно большое значение для сохранения работоспособности водителя имеет чистота атмосферы в салоне автомобиля. Подсчитано, что каждый автомобиль при среднем годовом пробеге 15 тыс. км "выдыхает" 3250 кг углекислого газа, около 93 кг углеводорода и 27 кг окислов азота. Особо вредное воздействие на организм человека оказывает содержащаяся в выхлопных газах окись углерода (СО - угарный газ). Считается, что уже при содержании в воздухе окиси углерода порядка 0,01 % появляются симптомы отравления. Между тем, как показывает проверка, в выхлопных газах карбюраторных двигателей содержится от 8 до 10% этого гаэа. Выхлопные газы, прорываясь в подкапотное пространство через маслоналивную горловину и систему вентиляции картера, засасываются в кабину. Обследования, проводившиеся в кабинах автомобилей ЗИЛ-555 (с пробегом 100 - 130 тыс. км), показали, что при скорости 35 км/ч концентрация окиси углерода достигает 125 мг/м3 (это более чем в 4 раза превышает санитарную норму для производственных помещений - 30 мг/м3). При увеличении скорости до 50 - 60 км/ч концентрация СО снижается за счет лучшего проветривания кабины до 25 мг/м3*. * (Иванов В. Н, Наука управления автомобилем. М., Транспорт, 1977.) Вероятность отравления окисью углерода повышается зимой при пользовании отопителями, которые имеют недостаточно герметичные соединения. Повышенное содержание СО в кабине приводит к быстрому утомлению и снижению работоспособности водителя - появляются резкая головная боль, общая слабость, тошнота, сердцебиение Все эти факторы, как и всякое болезненное состояние, влияют на качество вождения и безопасность движения. В соответствии с ОСТ 37.001.054 - 74 "Автомобили и двигатели. Выделение вредных веществ. Нормы и методы определения" с 1 января 1978 г. в СССР установлена предельная норма содержания окиси углерода в выхлопных газах - не более 2% по объему. Чистота воздуха в салоне автомобиля зависит от надежности всех уплотнений в подкапотном пространстве, исправности выхлопного тракта двигателя и эффективности приточной вентиляции. Для уменьшения выделения вредных примесей в атмосферу необходимо тщательно регулировать двигатель, избегать его длительной работы на холостом ходу, при разгоне резко не открывать дроссельную заслонку карбюратора. Билет8 1) Процесс расширенияПроцесс расширения протекает политропно с показателем политропы, изменяющимся в довольно широких пределах. Здесь, в отличие от процесса сжатия, в течение всего процесса происходит отдача тепла газов стенкам цилиндра, так как температура газов выше температуры стенок.
2) Остановочный путь - это путь пройденный автомобилем с момента обнаружения водителем опасности до полной остановки.
На величину остановочного пути очень влияет время реакции водителя. Диапазон этого значения очень большой - от 0,2 до 1,2с и это зависит от сложности дорожных ситуаций, от состояния водителя. За это время автомобиль может пройти почти половину остановочного пути. Если Вы заранее будете прогнозировать дорожные ситуации, а так же правильно оценивать ситуации на дороге, в тех местах где возможна опасность заранее перенесете ногу с газа на педаль тормоза, то Вы сэкономите 0,2 - 0,3с. В условиях дорожного движения это очень много. Так при скорости 60 км/ч на сухом асфальте остановочный путь составляет почти 37м, а на мокром около 60м, на обледенелой - 155м. Следует так же не забывать, что в темное время суток и в условиях недостаточной видимости (видимость дороги менее 300м в условиях дождя, тумана, сумерек и т.п.) скорость встречных автомобилей воспринимается гораздо ниже, а расстояние до них кажется большим, чем есть на самом деле.
Тормозной путь автомобиля. Одной из составляющих остановочного пути является тормозной путь - расстояние пройденное автомобилем с момента срабатывания тормозной системы до полной остановки. Его величина находится в прямой зависимости от скорости движения, способа торможения и дорожных условий. При скорости 50км/ч средний тормозной путь будет составлять около 15 м, а при скорости 100 км/ч около 60м т.е. больше в четыре раза. Тормозной путь автомобиля зависит от многих факторов: В любом руководстве по эксплуатации автомобиля есть данные по тормозному пути, указано это значение при определенной скорости на сухом покрытии. По указанному рисунку можно рассчитать как увеличивается тормозной путь при разных погодных условиях. Где обозначениеL - длина тормозного пути на сухом асфальтовом покрытии. На пример для ВАЗ21093 при весе 945кг. на скорости 80км/ч на сухом покрытии тормозной путь составляет 38м., в дождь 2х38=76м., на сыром, грязном, заснеженном покрытии - 152м., а на льду - 304м. И это при условии полностью исправной тормозной системы, в противном случае тормозной путь значительно увеличится. Существует несколько способов торможения: плавное, резкое, прерывистое и ступенчатое. Первый способ применяется в спокойной обстановке. Постепенное увеличение давления на педаль дает плавное замедление автомобиля. При этом получается самый большой тормозной путь. Резкое торможение (сильное нажатие на педаль) практически всегда приводит к блокировке колес и юзу, что в свою очередь влечет к потере управляемости и заносу автомобиля. При прерывистом торможение водитель должен сильно нажать на педаль тормоза практически до блокировки колес, затем отпустить педель. Повторять эти действия до полной остановки. При ступенчатом торможении водитель должен несколько раз нажать на педаль тормоза, при этом каждое последующее нажатие производится с большим усилием, чем предыдущее пока автомобиль не остановиться. 3) Сопротивление качению - сопротивление движению транспортного средства, вызванное качением колес. Коэффициент сопротивления качению существенно влияет на потери энергии при движении автомобиля. Он зависит от многих конструктивных и эксплуатационных факторов и определяется экспериментально. Его средние значения для различных дорог при нормальном давлении воздуха в шине составляют 0,01 …0,1. Рассмотрим влияние различных факторов на коэффициент сопротивления качению.
Скорость движения. При изменении скорости движения в интервале 0…50 км/ч коэффициент сопротивления качению изменяется незначительно и его можно считать постоянным в указанном диапазоне скоростей. При повышении скорости движения за пределами указанного интервала коэффициент сопротивления качению существенно увеличивается вследствие возрастания потерь энергии в шине на трение. Коэффициент сопротивления качению в зависимости от скорости движения можно приближенно рассчитать по формуле f = (115 + v) \ 10 000 где v — скорость автомобиля, км/ч.
Тип и состояние покрытия дороги. На дорогах с твердым покрытием сопротивление качению обусловлено главным образом деформациями шины. При увеличении числа дорожных неровностей коэффициент сопротивления качению возрастает. На деформируемых дорогах коэффициент сопротивления качению определяется деформациями шины и дороги. В этом случае он зависит не только от типа шины, но и от глубины образующейся колеи и состояния грунта. Значения коэффициента сопротивления качению при рекомендуемых уровнях давления воздуха и нагрузки на шину и средней скорости движения на различных дорогах приведены ниже: Асфальто- и цементобетонное шоссе: в хорошем состоянии……………………… 0,007…0,015 в удовлетворительном состоянии………….. 0,015…0,02 Гравийная дорога в хорошем состоянии….. 0,02…0,025 Булыжная дорога в хорошем состоянии…… 0,025…0,03 Грунтовая дорога сухая, укатанная………….. 0,025…0,03 Песок………………………………………………......... 0,1…0,3 Обледенелая дорога, лед………………………… 0,015…0,03 Укатанная снежная дорога………………………. 0,03…0,05
Тип шины. Коэффициент сопротивления качению во многом зависит от рисунка протектора, его износа, конструкции каркаса и качества материала шины. Изношенность протектора, уменьшение числа слоев корда и улучшение качества материала приводят к падению коэффициента сопротивления качению вследствие снижения потерь энергии в шине.
Давление воздуха в шине. На дорогах с твердым покрытием при уменьшении давления воздуха в шине коэффициент сопротивления качению повышается. На деформируемых дорогах при снижении давления воздуха в шине уменьшается глубина колеи, но возрастают потери на внутреннее трение в шине. Поэтому для каждого типа дороги рекомендуется определенное давление воздуха в шине, при котором коэффициент сопротивления качению имеет минимальное значение. Уход за колесами не ограничивается регулярной проверкой давления воздуха в шинах. Колеса необходимо мыть и обрабатывать специальными средствами, так как большое количество грязи, скопившееся на диске и шине, приводит к дисбалансу колеса и, как следствие, к вибрациям при езде и к неравномерному износу протектора.
Нагрузка на колесо. При увеличении вертикальной нагрузки на колесо коэффициент сопротивления качению существенно возрастает на деформируемых дорогах и незначительно — на дорогах с твердым покрытием.
Момент, передаваемый через колесо. При передаче момента через колесо коэффициент сопротивления качению возрастает вследствие потерь на проскальзывание шины в месте ее контакта с дорогой. Для ведущих колес значение коэффициента сопротивления качению на 10… 15 % больше, чем для ведомых. Коэффициент сопротивления качению оказывает существенное влияние на расход топлива и, следовательно, на топливную экономичность автомобиля. Исследования показали, что даже небольшое уменьшение этого коэффициента обеспечивает ощутимую экономию топлива. Поэтому неслучайно стремление конструкторов и исследователей создать такие шины, при использовании которых коэффициент сопротивления качению будет незначительным, но это весьма сложная проблема. Билет9 1) Для гусеничных и колёсных машин характерен переходный режим – разгон с малой до максимальной скорости движения. Время разгона зависит от величины избыточной мощности, развиваемой дизелем в период разгона, которая затрачивается на увеличение кинетической энергии машины в процессе повышения скорости движения. Минимальное время разгона достигается при работе дизеля по динамической внешней скоростной характеристике. Минимальное время разгона больше теоретического ,так как момент, развиваемый ДВС при разгоне, меньше, чем на установившихся режимах работы на внешней характеристики при равных угловых скоростях коленчатого вала двигателя [1]. Приспособленность дизеля с газотурбинным наддувом к режиму разгона зависит от интенсивности изменения угловой скорости ротора турбокомпрессора [5]. Широкое внедрение в практику дизелестроения газотурбинного наддува для форсирования двигателей заставило обратить внимание на значительное ухудшение их динамических качеств. Это привело к активным исследованиям в данной области. Существует реальная научная задача, состоящая в разрешении противоречий между: а) необходимостью повышения эффективности использования энергии сжигаемого топлива, а также повышением энергетических и экономических показателей дизеля на переходных режимах разгона с одной стороны; б) необходимостью затрат дополнительной энергии с целью сокращения времени разгона ротора турбокомпрессора на переходных режимах разгона дизеля с другой стороны. Поэтому весьма перспективным становится направление по использованию энергии аккумулированных отработавших газов в компенсационном ресивере с целью подачи их дополнительно на турбину турбокомпрессора при переходном режиме разгона. Примером реализации этого направления является система воздухоснабжения дизеля с компенсационным ресивером. Таким образом, применение системы воздухоснабжения с компенсационным ресивером на дизеле с газотурбинным наддувом может обеспечить сокращение времени его разгона, повышение энергетических и экономических показателей работы дизеля на переходном режиме разгона. На основании этого сформулирована рабочая гипотеза исследования – повышение энергетических и экономических показателей работы дизеля с газотурбинным наддувом на переходных режимах разгона может быть обеспечено применением системы воздухоснабжения с компенсационным ресивером за счет подачи на турбину дополнительных ОГ, которые были накоплены в ресивере на режиме торможения дизеля. Установлено, что переходный процесс имеет три фазы. Первая – от момента увеличения нагрузки до момента установления полной подачи топлива. Ее продолжительность составляет 11 % от общей продолжительности переходного процесса и определяется временем запаздывания регулятора. Вторая фаза продолжается до наступления равенства моментов двигателя и нагрузки. Ее длительность 18 %. В этот период коэффициент избытка воздуха α достигает минимального значения, а температура отработавших газов максимальной величины. Третья фаза характеризуется восстановлением частоты вращения коленчатого вала двигателя до номинального значения. Она наиболее продолжительная – 81 % и определяется интенсивностью разгона ротора турбокомпрессора [4]. Турбокомпрессор связан с дизелем посредством газодинамической связи, частота вращения его ротора и количество свежего заряда воздуха на переходных режимах не зависят от частоты вращения коленчатого вала дизеля. При работе дизеля с частотой вращения коленчатого вала, соответствующей холостом ходу, давление надувочного воздуха во впускном трубопроводе после компрессора мало. В случае перехода дизеля с режима холостого хода на режим средних и полных нагрузок, необходимо сначала вывести ротор турбокомпрессора на более высокую частоту вращения, за счёт увеличения поступления отработавших газов на турбину. Разгон коленчатого вала дизеля осуществляется с частоты вращения, соответствующей холостому ходу, до частоты вращения при максимальном крутящем моменте, что требует максимального изменения частоты вращения ротора турбокомпрессора. Ускорение частоты вращения ротора турбокомпрессора зависит от полярного момента инерции массы ротора турбокомпрессора JТК и избыточного момента турбины относительно момента компрессора ∆МТ. Исходя из выражения , получим [134, 138]: , (1) Кинетическая энергия ротора турбокомпрессора при частоте вращения или соответственно угловой скорости определяется уравнением: . (2) Продолжительность разгона ротора турбокомпрессора из состояния покоя может быть получена путём деления кинетической энергии ротора турбокомпрессора на интеграл избыточного момента, требуемого для достижения угловой скорости ωТК. Однако разгон, как правило начинается не от ωТК = 0, а от частоты вращения ротора турбокомпрессора, соответствующей исходной нагрузки, от которой начинается процесс разгона. Определение интеграла избыточного момента и ускорения сопряжено со значительными затратами по времени на вычисления, поэтому используется уравнение, приведённое К. Циннером для сравнения инерционности турбокомпрессоров [4]: , (3) где В– показатель разгона ротора ТК; – расход отработавших газов через турбину, кг/ч; – адиабатическая работа турбины, Дж; – коэффициент полезного действия турбины и компрессора. Также в работе [5] указывается, что значение произведения соответствует времени разгона ротора турбокомпрессора до заданной частоты вращения . Проведём анализ уравнения разгона ротора турбокомпрессора (3). Чем больше показатель разгона ротора турбокомпрессора В, тем хуже приёмистость дизеля. Числитель уравнения представляет кинетическую энергию ротора. Для уменьшения показателя В и обеспечения быстрого разгона ротора турбокомпрессора величина кинетической энергии ротора, должна быть, как можно меньшей. Этого возможно достичь снижением момента инерции ротора JТК , которое может быть обеспечено конструктивно, применением колёс ротора малого диаметра и изготовлением их из лёгких материалов. Также для сокращения величины показателя В, и тем самым сокращения времени переходного режима разгона ротора турбокомпрессора, количество отработавших газов на турбине турбокомпрессора и величина адиабатической работы турбины при данной угловой скорости ротора ТК должны быть по возможности максимальной величины. Показатели знаменателя и зависят соответственно от давления РТотработавших газов на турбине турбокомпрессора на переходном режиме разгона дизеля [4, 5]. Если создать большее давление РТ отработавших газов на турбине турбокомпрессора, то показатели знаменателя уравнения (3) и возрастут, и тем самым величина показателя В уменьшится. Следовательно, время разгона ротора турбокомпрессора сократится, и в результате этого произойдёт более быстрое увеличение давления воздуха во впускном трубопроводе после компрессора на переходном режиме разгона дизеля. Это предложение может быть выполнено применением системы воздухоснабжения дизеля с компенсационным ресивером [2]. Принцип работы данной системы заключается в следующем: при торможении машины, отработавшие газы накапливаются в компенсационном ресивере, а при режиме разгона дизеля, дополнительные отработавшие газы из компенсационного ресивера поступают на турбину, тем самым увеличивается давление РТ и количество отработавших газов перед турбиной турбокомпрессора. В результате, предполагается сокращение времени разгона ротора турбокомпрессора на 8–12 % [3, 5], а также увеличение скорости нарастания давления воздуха во впускном трубопроводе, тем самым в цилиндры дизеля поступит большее количество свежего заряда воздуха. Это приводит к улучшению протекания рабочего процесса дизеля, к сокращению дымления и расходу топлива, тем самым произойдёт повышение энергетических и экономических показателей работы дизеля с газотурбинным наддувом на переходном режиме разгона. 2) Распределение тормозных силХарактер распределения тормозных сил между мостами автомобиля оценивают по коэффициенту распределения тормозных сил: Показана расчетная зависимость оптимального коэффициента распределения тормозных сил от коэффициента сцепления шины. Из графика следует, что у автомобилей, имеющих постоянное соотношение тормозных сил, полное использование сцепного веса автомобиля при торможении возможно только при определенном расчетном коэффициенте сцепления. Тормозные свойства автомобилей в значительной степени определяют безопасность движения на дорогах. Поэтому большое внимание уделяется эффективности и надежности тормозных систем. Эффективность рабочей и запасной тормозных систем оценивают по длине тормозного пути и установившемуся замедлению, а стояночной и вспомогательной — по суммарной тормозной силе, развиваемой этими системами. В соответствии с действующими стандартами различают три типа испытаний по определению эффективности рабочей тормозной системы: О, I и II. Испытания типа 0 предназначены для оценки эффективности рабочей тормозной системы при холодных тормозных механизмах, испытания типа I — при нагретых тормозах за счет предварительных торможений тормозными механизмами, испытания типа II — при механизмах, нагретых в процессе торможения на затяжных спусках. 3)???????????????????????????????? Билет 10 1) Совершенство тепловых процессов, происходящих в цилиндре реального автомобильного двигателя, оценивают по индикаторным показателям его действительного цикла, совершенство же двигателя в целом, с учетом потерь мощности на трение и привод вспомогательных механизмов, — по его эффективным показателям. Работа, совершаемая газами в цилиндрах двигателя, называется индикаторной работой. Индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл называется работой цикла.Она может быть определена с помощью индикаторной диаграммы, построенной по данным теплового расчета двигателя Площадь, ограниченная контуром a-c—z'—z—b—aрасчетной индикаторной диаграммы Ат,будет в соответствующем масштабе представлять теоретическую индикаторную работу газов в одном цилиндре за цикл. Площадь действительной диаграммы а'—c'—c"—z"—b'—b"—r—a—a' будет состоять из верхней и нижней петель. Площадь Адверхней петли характеризует положительную работу газов за цикл. Границы этой петли не совпадают с расчетными вследствие опережения зажигания или впрыска топлива (с'—с—с"—с'), немгновенного сгорания топлива (с"—z'—z"—с" и z"-z-z'"—z") и предварения выпуска (b'—b—b"—b'). Уменьшение площади расчетной диаграммы по указанным причинам учитывается с помощьюкоэффициента полноты диаграммы: Для автотракторных двигателей значения коэффициета полноты диаграммы принимают значения 0,93...0,97. Площадь Ан нижней петли характеризует отрицательную работу затрачиваемую на насосные ходы поршня для газообмена в цилиндре. Таким образом, действительная индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл: На практике величину работоспособности двигателя за цикл определяют по среднему индикаторному давлению Pi, равному полезной работе цикла, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра
Среднее индикаторное давление — это условно постоянное давление на поршень в течение одного хода поршня, которое совершает работу, равную индикаторной работе газов за весь цикл. Это давление в некотором масштабе выражается высотой pi прямоугольника с площадью А = Ад - Ан и с основанием, равным длине индикаторной диаграммы. Величина piпри нормальном режиме работы двигателя достигает в , бензиновых двигателях 1,2 МПа, в дизелях — 1,0 МПа. Полезную работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени, называют индикаторной мощностью и обозначают Pi. Время цикла в секундах равно где n — частота вращения коленчатого вала, оборотов в минуту — тактность двигателя (число ходов поршня за цикл). Тогда индикаторная мощность одного цилиндра двигателя составит (Вт) Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя (кВт) где - число цилиндров в двигателе; Vh — объем одного цилиндра, л. Индикаторный удельный расход топлива представляет собой отношение часового расхода топлива Gr к индикаторной мощности Рi, Он характеризует экономичность действительного цикла. Величина gi, при номинальном режиме работы двигателя колеблется в пределах 250...340 г/(кВт • ч) — для бензиновых двигателей, 175...230 г/(кВт • ч) — для дизелей. Индикаторный КПД оценивает степень использования теплоты в действительном рабочем цикле и представляет собой отношение теплоты, превращаемой в индикаторную работу Wt, к теплоте, введенной в цилиндр в результате сгорания топлива. ; где — индикаторная мощность, кВт; — часовой расход топлива, кг/ч; — теплота сгорания топлива, кДж/кг. У существующих автотракторных двигателей индикаторный КПД находится в пределах 0,25...0,4 для бензиновых двигателей, 0,38...0,50 для дизелей. 2) Способы торможенияИсходя из множественных факторов, влияющих в зависимости от условий движения автомобиля, на выбор способа снижения скорости автомобиля выделим несколько основных.
Данная статья является дополнением к статье «Торможение» основного раздела сайта «Как ездить». 3) Совокупность свойств определяющие расходы топлива при эксплуатации автотранспортного средства в конкретных дорожных условиях, называется топливной экономичностью. Зачастую расход топлива измеряется влитрах на единицу пробега автомобиля и называется путевой расход, (qп). Билет 11 1) Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. Во имя получения этой работы собственно и строят двигатели внутреннего сгорания. К числу эффективных показателей относят прежде всего эффективную мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление топлива, эффективный КПД. Полезная, или эффективная, работа двигателя за один цикл , где Lмп – работа механических потерь. Разделив это выражение на рабочий объем получим
где - среднее эффективное давление, т.е полезная работа, получаемая за цикл с единицы рабочего объема цилиндра. Умножив (9.2) на , получим , где - эффективная мощность двигателя; - мощность механических потерь. Если (9.2) умножить на , то получим , где - эффективный крутящий момент двигателя; Ммп – момент механических потерь. Механический КПД двигателя
Далее, используя (9.2), можно записать . Под эффективным КПД двигателя понимают долю от всей подведенной с топливом теплоты, превращенную в полезную работу:. Далее можно преобразовать:
Удельный эффективный расход топлива или расход топлива на единицу эффективной мощности в час . Из приведенных уравнений следует, что для обеспечения высокой эффективности и экономичности работы двигателя недостаточно достижения высоких значений рi и . Необходимо также, чтобы малыми были механические потери двигателя, в том числе потери на привод компрессора. Работа, действительно затрачиваемая на сжатие и проталкивание 1 кг воздуха в компрессоре, , где - степень повышения давления в компрессоре; — адиабатный КПД компрессора, равный отношению работы при адиабатном сжатии к действительно затраченной на сжатие и проталкивание работе. Он учитывает наличие теплообмена и внутренние потери в компрессоре. Мощность привода компрессора , где Gв.с — секундная подача воздуха компрессором; — механический КПД компрессора. Используя зависимости (4.4) и (4.5) , выразим эффективные показатели через индикаторные:
;
Из (9.5) при заданных частоте вращения, количестве цилиндров и тактов можно вычислить рабочий объем цилиндра, при котором обеспечивается получение той или иной мощности. Вычисление pi производится по (4.5), рм — по уравнениям (4.8) с использованием данных табл. 4.3. По величине , задавшись S/D, определяют основные размеры двигателя. В случае использования для расчета индикаторных показателей методики, кратко изложенной в п. 2.2.2, необходимо задаться размерами двигателя по прототипу. Расчет цикла даст значения рi, и . Далее определяют рм и рe. По уравнению (9.5) вычисляют рабочий объем цилиндра и далее, задавшись S/D, основные размеры двигателя. Если они существенно отличаются от принятых по прототипу, то расчет цикла повторяется. Влияние различных факторов на эффективные показатели двигателя. Значение каждого из эффективных показателей определяется значением соответствующего индикаторного показателя и механическим КПД. Среднее давление механических потерь pмп можно уменьшить следующим образом: • правильным выбором теплового режима работы двигателя и поддержанием этого режима в процессе эксплуатации; • оптимальным конструированием двигателя и его агрегатов. Правильный выбор конструкции и размеров впускной и выпускной систем делает минимальными потери на газообмен. В эксплуатации сопротивления систем не должны изменяться. Поверхности трущихся пар сводятся к целесообразному минимуму, при котором обеспечивается надежное жидкостное трение, а силы трения имеют малые значения. К минимуму сводится также количество поршневых колец. Выбор жесткости и формы деталей, соблюдение технических условий при их изготовлении также важны для достижения надежного жидкостного трения и минимальных механических потерь. Существенное значение имеет оптимизация конструкции, размеров и частоты вращения таких вспомогательных механизмов, как вентилятор, водяной и масляный насосы: • рациональным выбором материалов и технологии изготовления деталей, что улучшает смазку трущихся пар и снижает потери на трение; • правильным выбором смазочного масла. При этом стремятся использовать масло с минимальной вязкостью, при которой обеспечиваются надежное жидкостное трение, длительная работа всех узлов двигателя при максимально возможных сроках смены и минимальном угаре масла; • использованием в дизелях однополостных камер сгорания вместо разделенных. Этим достигается снижение механических потерь в результате исключения практических потерь на перетекание заряда. Уменьшения рпр.к добиваются оптимизацией типа, размеров, частоты вращения и характеристик компрессора под заданные расход газа и степень повышения давления. Под оптимизацией здесь понимают достижение максимально возможного значения во всем диапазоне режимов работы двигателя. Уменьшение затрат на привод компрессора, особенно на режимах малых нагрузок, можно обеспечить, используя перепуск воздуха или снижая частоту вращения компрессора, соединенного с двигателем с помощью регулируемой механической передачи. При применении наддува, особенно газотурбинного, механический КПД возрастает вследствие того, что рмп увеличивается в меньшей степени, чем pi. Поэтому рe повышается в большей степени, чем рi. В результате увеличения эффективный КПД повышается даже, когда при наддуве имеет место небольшое уменьшение . Важное значение при газотурбинном наддуве имеет КПД газотурбокомпрессора. При его увеличении достигается снижение потерь на газообмен. Уменьшение при снижении нагрузки объясняется тем, что рмп мало изменяется с уменьшением нагрузки, а рi естественно, падает. Особенно резко снижается в двигателях с искровым зажиганием, что связано с увеличением потерь на газообмен. При холостом ходе двигателя pi =pмп и = 0. С ростом частоты вращения уменьшается в связи с увеличением pмп. Характер изменения основных индикаторных и эффективных показателей в зависимости от п приведен на рис. 9.2. Так как при увеличении частоты вращения снижается, то максимальные значения ре и имеют место при п, меньших тех, при которых достигаются максимальные значения pi и . Из выражения (9.8) следует, что на значение литровой мощности двигателя, оценивающей уровень форсирования двигателя, влияют pi, , и п (на номинальном режиме) и . Возможности увеличения рi, пм, , а также применения двухтактного цикла рассмотрены ранее. Следует отметить дополнительно, что в двухтактных двигателях отсутствуют насосные потери, но имеются потери на привод компрессора, используемого для осуществления продувки — очистки — наполнения двигателя. В двухтактных двигателях меньше, чем в четырехтактных, потери на трение, обусловленные силами инерции, так как отсутствуют вспомогательные такты, но меньше также и значение среднего индикаторного давления. На величину в большей степени влияют меньшие значения рi и потери на привод компрессора. 2) Топливная экономичность
3)
Билет 12
2)Топливно-экономическая характеристика автомобиля
3) Билет 13 1) Смесеобразование в этих двигателях включает в себя комплекс взаимосвязанных процессов: дозирование топлива и воздуха, распыления, испарения топлива (в карбюраторных двигателях) и перемешивания его с воздухом.
В газовых двигателях процесс смешивания газа с воздухом происходит преимущественно во время их движения по впускному тракту от смесителя до цилиндра двигателя благодаря молекулярной диффузии одного газа в другой. При этом однородность смеси будет тем выше, чем ближе отношение объемов смешиваемых газов к единице. Для интенсификации диффузионных процессов во впускной системе увеличивают поверхности смешивания, турбулизують заряд, что способствует перемещению не только отдельных молекул, но и объемов компонентов.
В карбюраторных двигателях образованию однородной горючей топливно-воздушной смеси мешает разное агрегатное состояние компонентов. Поэтому диффузионным процессам смешивания паров топлива с воздухом должны предшествовать процессы распыления и испарения жидкого топлива.
Распыление топлива. Топливо или топливная эмульсия (смесь топлива с небольшим количеством воздуха) под действием разрежения вытекает из распылителя в диффузор карбюратора, в котором с большой скоростью движется воздушный поток. Струя топлива дробящегося на капли различных диаметров и пленки, которые во время движения по впускному тракта распадаются на более мелкие образования. Вследствие этого поверхность топлива увеличивается в десятки и сотни раз, что значительно ускоряет скорость нагрева и испарения его. Процесс распиливания топлива интенсифицируется при увеличении относительной скорости обдува его воздухом и снижается при росте вязкости и коэффициента поверхностного натяжения топлива.
При движении топлива по впускной системе часть его оседает на стенках, образуя топливную пленку, параметры которой зависят от таких факторов, как силы сцепления со стенкой, относительная скорость воздушного потока, силы тяжести, силы поверхностного натяжения и др.. Вследствие этого траектория пленки имеет сложный вид, а скорость ее движения значительно меньше, чем скорость смеси. Смесеобразования ухудшается. Исследования показывают, что наибольшее количество пленки (до 25 ... 40% от поданного топлива [2, 4]) образуется на режимах полной нагрузки и малых частот вращения коленчатого вала, когда скорости потока воздуха в диффузоре относительно малы.
Испарения и смесеобразования. Эти процессы начинаются сразу же после истечения топлива в диффузор карбюратора. Условия для испарения капель топлива и пленки разные. В начальный период, когда относительная скорость капель топлива и воздуха значительная (100 м / с и больше), испарения идет, главным образом, за счет теплоты, содержащейся в самих каплях. После разгона капель потоком воздуха интенсивность испарения их определяется скоростью теплообмена между топливом и воздухом. Скорость испарения топливной пленки зависит от интенсивности обдува ее воздухом и теплообмена со стенками впускного тракта. Для ускорения испарения пленки используется подогрев впускных трубопроводов жидкостью, нагретой в двигателе, или отработавших газами двигателя. Необходимо заметить, что при ускорении движения воздушного потока и подогреве его уменьшается наполнение цилиндра свежей смесью. Процессы испарения и смешивания паров топлива с воздухом продолжаются и в цилиндре во время тактов впуска и сжатия и заканчиваются перед началом сгорания.
Дальнейшее улучшение смесеобразования в бензиновых двигателях возможно при замене карбюрации системой впрыска топлива. При этом улучшается распиловки и дозирования топлива по цилиндрам, увеличивается наполнение цилиндров свежим зарядом.
3)Сопротивление качению зависит от массы автомобиля и коэффициента трения качения. Масса автомобиля при этом оказывает первостепенное влияние на величину сопротивления качению. Большая масса проявляется неблагоприятно в любом случае, если мы стремимся к экономии энергии, то уменьшение массы автомобиля является одной из первостепенных задач. Масса проявляется в виде силы, прижимающей автомобиль к земле. Передвижению препятствует сила, которая зависит от коэффициента трения качения между автомобилем и поверхностью дороги. Здесь имеется возможность экономить определенную энергию. Сила сопротивления качению автомобиля Pf рассчитывается по формуле Pf = Q·f, где Q – нормальная нагрузка; f – коэффициент трения качения. Коэффициент сопротивления качениюНиже приведены значения коэффициента f, которые действительны для качения шины колеса по поверхности дороги с различным покрытием и для других движителей:
В приближенных расчетах можно допускать, что коэффициент сопротивления качению с изменением скорости автомобиля не меняется. Наименьшее сопротивление качению имеет стальное колесо на рельсе, наибольшее – гусеничный движитель на рыхлом снегу. Чем меньше деформация поверхности, тем меньше сопротивление качению. Сопротивление качению на неровной дорогеПри движении по неровной дороге сопротивление качению зависит от жесткости амортизирующего элемента.
Если на поверхности дороги возникает препятствие высотой h(см. рис. слева) и автомобиль наезжает на него с малой скоростью, то он может остановиться. На рисунке масса автомобиля представлена грузом М, прикрепленным к оси колеса через пружину F. Предположим, что массаМ жестко соединена с осью. В этом случае для преодоления препятствия необходима такая вертикальная сила V, которая способна поднять массу М на высоту h. Эта сила может обеспечиваться, например, кинетической энергией автомобиля при движении. Чтобы автомобиль мог продолжать движение, необходимо, чтобы его кинетическая энергия была большей, чем требуется для поднятия автомобиля на высоту h. Необходимая величина вертикальной силы зависит от угла наезда α и рассчитывается по формуле V = H·tgα. Время подъема определяется скоростью автомобиля, а форма препятствия определяет процесс изменения скорости и ускорения. На вершине твердого препятствия скорость массы М не будет равна нулю, и колесо отскочит от препятствия. Однако гравитационная сила остановит массу М и вернет ее на землю путем свободного падения. Энергия горизонтальной силы Н будет затрачена на перемещение колеса на высоту препятствия, но при отскоке колеса эта сила уже не действует и, следовательно, не влияет на увеличение сопротивления качению автомобиля [2]. Если масса М опирается на пружину F и колесо снабжено упругой шиной, то исчезает необходимость подъема колеса и массы М на высоту препятствия h. При благоприятном отношении неподрессоренной массы колеса и подвески к подрессоренной массе М колесо не отскочит от препятствия, и часть энергии, аккумулированная в сжатой пружине и шине, после преодоления препятствия вернется и передвинет автомобиль вперед. Однако значительная часть энергии за счет внутреннего трения в амортизирующих элементах потеряется, превратившись в теплоту. Достаточно мягкая подвеска колес может уменьшить потери энергии при переезде через неровность. Сопротивление качению на деформируемом покрытииНа дороге с хорошим покрытием действует правило: жесткое колесо на твердом, малодеформируемом покрытии обеспечивает наименьшие потери, обусловленные сопротивлением качению. Если неровности имеют большой размер, то увеличение жесткости колеса и амортизирующих элементов вызывает рост сопротивления качению. В этом случае выгодным является использование мягкой шины больших размеров и нежестких амортизаторов. Шина больших размеров с мягкой боковой поверхностью и низким давлением сама амортизирует мелкие неровности, так что и неподрессоренная масса будет испытывать колебания весьма малой амплитуды, которые хорошо гасятся мягкой подвеской. Небольшое давление в шине увеличивает площадь ее контакта с поверхностью дороги, что уменьшает глубину погружения колеса в мягкое покрытие и соответственно образует колею меньшей глубины. Коэффициент трения качения жёсткого колеса на деформируемом покрытии имеет иной характер, чем на твердой поверхности, и определяется по формуле где h – глубина погружения колеса в покрытие, мм; D – диаметр колеса, мм. В этом случае давление воздуха в шине может влиять противоположно тому, как это имеет место на твердом покрытии, поскольку из-за малого погружения колеса в покрытие при низком давлении в шине коэффициент сопротивления качению будет меньше, чем при высоком. После того как автомобиль с такими шинами выйдет с бездорожья на шоссе, в них необходимо увеличить давление, иначе боковые поверхности шин при большом прогибе будут сильно разогреваться. На некоторых автомобилях используется специальное оборудование, позволяющее изменять давление в шинах, не прекращая движения. |
Билет 14
1) Смесеобразование в дизельных двигателях
Яндекс.ДиректППРк, быстро, качественно.Надежно, а также Содействие в согласованииАдрес и телефон ppr-agro.ucoz.com
Смесеобразование в дизельных двигателях протекаат за очень короткий промежуток времени, примерно в раз меньший, чем в карбюраторных. Поэтому получение однородной смеси в камере сгорания таких двигателей представляет значительно более трудную задачу, чем в карбюраторных. Для обеспечения своевременного и полного сгорания топлива необходимо вводить значительный избыток воздуха (а = 1,2—1,75) и применять ряд других мер, обеспечивающих хорошее перемешивание воздуха и топлива.
Чтобы уменьшить коэффициент избытка воздуха, а следовательно, повысить среднее эффективное давление и литровую мощность, необходимо улучшить качество смесеобразования за счет: – согласования формы камеры сгорания с формой топливного факела, выбрасываемого из форсунки при подаче топлива; – создания в камере сгорания интенсивных воздушных потоков вихрей, которые способствуют перемешиванию топлива с воздухом; – осуществления тонкого и однородного распыливания топлива.
Выполнение первых двух условий обеспечивается применением камер сгорания специальных форм. Тонкость и однородность распыливания топлива улучшается с увеличением давления впрыска, уменьшением диаметра соплового отверстия форсунки и вязкости топлива.
По способу смесеобразования дизельные двигатели бывают с неразделенными и разделенными камерами сгорания.
Неразделенные камеры представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня и поверхностями головки и стенок цилиндра (рис. 69, а). В этот объем через форсунку впрыскивается топливо в виде одной или нескольких струй, и в нем происходят процессы смесеобразования и сгорания. Для улучшения смесеобразования форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, подаваемого форсункой, а воздушный поток заставляют вращаться вокруг вертикальной оси цилиндра и образовывать дополнительно кольцевой вихрь.
Основными преимуществами рассмотренного способа смесеобразования являются высокая экономичность и легкий пуск.
К недостаткам следует отнести сравнительно жесткую работу и высокое (25— 40 МПа) давление впрыска.
Разделенные камеры сгорания состоят из основной камеры, ограниченной днищем поршня и поверхностью головки, и дополнительной камеры, расположенной в головке цилиндра или в днище поршня. Основная и дополнительная камеры сообщаются между собой одним или несколькими каналами или горловиной.
В зависимости от способа улучшения смесеобразования дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания делятся на предкамерные и вихрекамер-ные.
В предкамерных двигателях (рис. 69,6) камера сгорания делится на две полости: предкамеру, объем которой составляет 25—40% всего объема камеры сгорания, и основную камеру, расположенную над поршнем. Предкамера и камера сообщаются между собой каналом с одним или несколькими отверстиями небольшого диаметра. Сущность предка-мерного смесеобразования заключается в том, что при такте сжатия часть воздуха перетекает из цилиндра через соединительный канал в предкамеру. Топливо, впрыскиваемое форсункой в предкамеру, дополнительно распыливается встречными струями воздуха и самовоспламеняется. Так как в предкамере находится небольшая часть воздушного заряда, то в ней сгорает только часть впрыснутого топлива. При этом давление и температура в предкамере повышается и газы вместе с несгоревшим топливом с большой скоростью 200—300 м/с выдуваются через соединительный канал в основную камеру. За счет использования энергии части сгоревшего топлива образуется интенсивное вихревое движение и несгоревшее еще топливо хорошо перемешивается с воздухом и сгорает. Давление впрыска в предкамеру обычно составляет 8—13 МПа, что уменьшает износ топливной аппаратуры и обеспечивает большую надежность соединений трубопроводов высокого давления. Работают предкамерные двигатели более мягко — за счет последовательного сгорания топлива в двух объемах.
Рис. 69. Схемы камер сгорания дизельных двигателей
К недостаткам следует отнести большие потери тепла, увеличенный удельный расход топлива (из-за повышенных гидравлических потерь) по сравнению с двигателями с неразделенными камерами, затрудненный пуск двигателя, что вызывает применение специальных пусковых приспособлений.
В вихрекамерных двигателях (рис. 69, в) камера сгорания также делится на две полости — вихревую камеру, объем которой составляет 60—80% объема камеры сгорания, и камеру, расположенную над поршнем. Вихревая камера и камера соединяются каналом специальной формы, который называется диффузором. Диффузор располагается по касательной по отношению к вихревой камере. При такте сжатия воздух из камеры через диффузор перетекает в вихревую камеру и приобретает в ней вращательное движение. Благодаря интенсивному завихрению воздуха в камере топливо, впрыснутое форсункой, хорошо распыливается, перемешивается в воздухом и самовоспламеняется. При сгорании топлива в вихревой камере давление и температура газов повышается и они вместе с несгоревшей частью топлива перетекают в основную камеру сгорания, где перемешиваются с неиспользованным еще воздухом и полностью сгорают. Преимущества и недостатки двигателей с вихревыми камерами по сравнению с двигателями с неразделенными камерами те же, что и у пред-камерных двигателе
Устойчивостью автомобиля называется его способность противостоять опрокидыванию и заносу. Устойчивость автомобиля подразделяют на продольную и поперечную. Продольное опрокидывание может произойти при движении автомобиля на подъем, опрокидывающей силой при этом будет составляющая массы, направленная параллельно плоскости дороги Gsin α.
Опрокидывание начнется, когда опрокидывающий момент Gsin α hg по величине станет равным моменту Gcos α b, противодействующему опрокидыванию,
Величины hg и b показаны на рис. 34.4. Из последнего равенства получим выражение максимального угла подъема
Устойчивость автомобиля против опрокидывания в продольной плоскости зависит от расположения его центра тяжести, определяемого расстояниями а и b до передней и задней осей, и высоты hg над поверхностью дороги.
При движении на подъем из-за недостаточного сцепления колес с дорогой происходит сползание. Сила сцепления на подъеме для автомобилей с двумя задними ведущими колесами будет:
сила, стремящаяся сдвинуть автомобиль назад, равна составляющей, направленной параллельно дороге, Gаsin α. Равенство этих сил определяет тангенс угла, при котором начнется сползание.
где φ — коэффициент сцепления.
У автомобилей со всеми ведущими колесами сцепная масса является полной массой и tgα = φ.
Поперечная устойчивость автомобиля
При движении автомобиля по кривой (на повороте) под действием центробежной силы может иметь место скольжение или опрокидывание. Скольжению противодействует сила бокового сцепления, а опрокидыванию— момент от массы.
Рассмотрим движение автомобиля (рис. 37.3) по инерции на повороте, на горизонтальном участке с осью поворота О. Центробежная сила Pц, вызывающая занос или опрокидывание, определяется из выражения
где m — масса автомобиля;
R — радиус поворота.
Равенство моментов всех сил, действующих относительно точки А, определит начало опрокидывания автомобиля
Рис. 37.3. Устойчивость автомобиля (схема сил)
где hg — высота центра тяжести;
В — колея.
Скорость движения автомобиля на повороте, при которой начинается опрокидывание, определяется подстановкой значения Рц в данное уравнение
Сила бокового сцепления равна Gaφ1 где φ1— коэффициент поперечного сцепления.
При равенстве сил Рц = Gaφ1 начинается боковое скольжение автомобиля. Значит, отсюда можно определить скорость движения на повороте при начале бокового скольжения
Черноуцан А.И. Кое-что о силе тяги //Квант. — 1992. — № 5. — С. 42-44.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
В задачах по механике, особенно из раздела «Механическая мощность», часто встречается величина, называемая силой тяги — поезда, автомобиля, самолета, велосипеда и т. п. Что это за сила? Какова ее природа?
Иногда можно услышать ответ, что, поскольку автомобиль, например, приводится в движение двигателем, то и сила тяги действует со стороны двигателя. Это, конечно, не так. Внутренние силы, действующие со стороны одной части системы на другую, не могут изменить скорость системы как целого — это противоречило бы закону сохранения импульса. Тогда становится ясно, что надо рассматривать силы, действующие на транспортное средство извне, со стороны внешнего мира. Так, в случае автомобиля или поезда сила тяги — это сила трения покоя, действующая на ведущие колеса со стороны дороги, в случае самолета — сила реакции отбрасываемого назад воздуха. Правда, для того чтобы сила трения покоя была направлена вперед, двигатель должен вращать колеса в нужном направлении, заставляя их как бы цепляться за дорогу и создавать силу тяги. Так что без двигателя действительно далеко не уедешь...
Зачем же вводить некую силу тяги, а не писать прямо «сила трения покоя» или «сила реакции воздуха»? Оказывается, удобно все силы, действующие на транспортное средство со стороны окружающих тел, разделить на две части: одну часть назвать силой тяги FT, а другую — силой сопротивления FC. В этом случае, во-первых, приобретают универсальный вид уравнения движения. Так, для автомобиля, поднимающегося в гору с уклоном α, запишем
FT−FC−mgsinα=ma . (1)
Во-вторых, через силу тяги весьма просто выражается полезная механическая мощность:
P0=FTυ , (2)
где υ — скорость транспортного средства. (Как будет показано дальше, эту формулу можно считать в каком- то смысле определением полезной мощности транспортного средства.) Формулы (1) и (2) вместе позволяют понять многие процессы, происходящие при разгоне или движении транспортных средств.
Например, автомобилисты знают, что при разгоне автомобиля по горизонтальной дороге невыгодно включать большую мощность на малых скоростях. И действительно — когда сила тяги, равная P0υ, достигнет максимальной силы трения покоя μN, начнется пробуксовка колес, что является крайне нежелательным. А максимальную мощность Pmax можно использовать только при достижении скорости υ0=PmaxμN, а до этого мощность надо плавно наращивать. Наверное, большинство из вас все это хорошо понимают и так, и взяться за написание этой заметки меня заставило совсем другое. Дело в том, что формула для полезной мощности (2), соответствуя внешне определению механической мощности и поэтому не привлекая особого внимания, содержит в себе неожиданный парадокс. Должен признаться, что сам я долгое время не обращал на него никакого внимания. В чем же он заключается?
Как уже говорилось, сила тяги автомобиля, например, есть не что иное, как сила трения покоя, приложенная со стороны дороги к нижним точкам ведущих колес. Но эти точки (разумеется, если колеса не проскальзывают) касаются дороги, т. е. имеют скорость, равную нулю. Значит, работа силы трения покоя, а следовательно, и работа силы тяги, равна нулю!
В первый момент, когда я это понял, у меня возникло ощущение легкого испуга. Нет, я не испугался за закон сохранения энергии — энергия совсем не обязательно должна поступать в систему извне. Хотя внутренние силы, возникающие при работе двигателя, не способны изменить импульс системы, они вполне могут изменить ее энергию. Например, если в двигателе используется энергия сгорания топлива, то часть этой энергии при работе двигателя теряется, а часть превращается в полезную механическую энергию. А вот при отсутствии в системе двигателя, поставляющего необходимую энергию, внешняя сила тяги должна быть «устроена» так, чтобы самой совершать работу. (Пример: при буксировке автомобиля с выключенным двигателем роль силы тяги играет сила натяжения троса.)
Неприятность заключалась в другом — универсальная формула (2) потеряла свою очевидность. Стало неясно, можно ли ее в таком простом виде использовать для решения различных задач или придется в каждом случае специально вычислять полезную мощность, опираясь на конкретное устройство двигателя.
Рассмотрим, например, игрушечный автомобиль, где источником энергии является энергия упругой деформации пружины. Для упрощения пренебрежем массой колес и пружины. Полезную работу в этом случае совершает сила, приложенная к корпусу автомобиля, которая равна сумме силы F⃗ 0, действующей на ось колеса, и силы натяжения F⃗ n действующей на стенку корпуса; следовательно,
P0=(F0−Fn)υ .
Так как масса колеса равна нулю, сумма всех действующих на него сил равна нулю, т. е.
F0=FT+Fn .
Поэтому P0, как и в формуле (2), оказывается равной произведению FTυ. В чем же дело? Может быть, это случайность?
Чтобы понять причину такого совпадения, задумаемся о том, что мы называем полезной механической работой при движении транспортного средства любой природы в общем случае. Во-первых, это работа против сил сопротивления A1=FCΔl, во-вторых, работа по увеличению кинетической энергии поступательного движения A2=mυ222−mυ212 и, в-третьих, работа по изменению потенциальной энергии A3=mgΔh. К потерянной энергии относят тепловые потери в механизме, кинетическую энергию вращения колес, движения шатунов, поршней и т. д., другими словами — все, что не входит в энергию поступательного движения транспортного средства как целого.
Теперь — немного математики. Умножим обе части формулы (1) на Δl. Учитывая, что maΔl=mυ222−mυ212, a mgΔlsinα=mgΔh, запишем
FTΔl=FCΔl+(mυ222−mυ212)+mgΔh .
Получается, что величина, формально составленная как работа силы тяги FT на пути Δl (на самом деле сила тяги работы не совершает), в точности равна полезной работе A1 + A2 + A3. Следовательно, полезную мощность можно смело вычислять по формуле (2)!
Итак, мы выяснили, что сила тяги, определенная как внешняя сила, входящая в уравнение движения (1), работы не совершает, так как она приложена к неподвижной точке колеса. Кроме того, та часть работы двигателя, которую называют полезной, равна работе силы тяги, как если бы она была приложена не к неподвижной точке, а к движущемуся корпусу транспортного средства. Но самое главное — мы еще раз убедились в том, что за привычными и обыкновенными, на первый взгляд, понятиями часто скрываются неожиданные вопросы и парадоксы, над которыми полезно и интересно поразмышлять.
Билет 15
Автор Сварщик | 5 мая 2011Оставить комментарийКомментариев нетПерейти к комментариям
Основным средством проверки качества работы отдельных узлов и деталей двигателя, как и двигателя в целом, служит его испытание. По результатам испытания можно также организовать технически правильную эксплуатацию двигателя, произвести нормирование расхода топлива и смазочных материалов, а также определить технико-экономические показатели его работы.
На дизельных электростанциях производятся следующие испытания двигателей.
1. Приемо-сдаточные испытания.
2. Снятие индикаторных диаграмм (индицирование двигателя).
3. Проверка удельного расхода топлива и масла для смазки.
Приемо-сдаточные испытания двигателя по сокращенной программе производятся после планово-предупредительных и капитальных ремонтов. Программой этих испытаний предусматривается пуск холодного двигателя, испытание его при холостом ходе и при нагрузках 50; 75; 100 и 110% номинальной, определение расхода топлива и смазочных материалов, испытание системы регулирования.
Во время приемо-сдаточных испытаний измеряют и фиксируют в приемо-сдаточном акте следующие величины:
а) нагрузку на двигатель и число оборотов коленчатого вала;
б) вибрацию подшипников;
в) результаты испытания системы регулирования на сброс нагрузки;
г) температуру воздуха, поступающего в двигатель, и давление распыливающего воздуха;
д) барометрическое давление, а при пуске двигателя сжатым воздухом — давление воздуха в пусковом баллоне до и после пуска;
е) температуру газов на выходе из цилиндров;
ж) температуру охлаждающей воды при входе и на выходе из двигателя;
з) расход топлива и смазочного масла, причем в приемо-сдаточном акте указывают марки топлива и смазочного масла.
Измерение мощности двигателя, расхода топлива и параметров газов можно производить при испытании с помощью контрольно-измерительных приборов, установленных на щите двигателя. Измерительные приборы должны быть предварительно проверены, о чем делается отметка в приемо-сдаточном акте.
По данным испытаний определяют удельный расход топлива, к. п. д. двигателя, часовой и удельный расходы смазочного масла.
После монтажа нового, а также после реконструкции двигателя, находившегося в эксплуатации, в результате чего изменился рабочий процесс, мощность, число оборотов и другие характеристики двигателя, производится полное приемо-сдаточное испытание его, предусматриваю-щее более обширную программу. При полном испытании производится измерение расхода и параметров воздуха, воды, топлива, смазочного масла, мощности и числа оборотов; производится также снятие индикаторных диаграмм, анализ отработавших газов и при необходимости — анализ топлива и смазочного масла, испытание систем регулирования и защиты двигателя. При каждом режиме испытания обычно выполняют не менее трех измерений всех контролируемых величин, причем начинать измерения надо не сразу при переходе на новый режим, а через 15-20 мин — после стабилизации теплового режима двигателя.
Снятие индикаторных диаграмм двигателя производится с целью проверки рабочих процессов, происходящих в цилиндрах. По индикаторным диаграммам определяют давление сжатия и вспышки по цилиндрам, распределение нагрузки между цилиндрами, правильность работы топливоподачи и газораспределения. Индицирование двигателя в процессе эксплуатации производят периодически, а также в тех случаях, когда возникает сомнение в правильности рабочих процессов, протекаю-щих в цилиндрах двигателя.
2)
На поперечную устойчивость автомобиля значительное влияние оказывает конструкция подвески. Под действием поперечной силы изменяются нагрузки на упругие элементы подвески и шины левой и правой сторон автомобиля, вследствие чего кузов его наклоняется и поворачивается в поперечном направлении. При определении показателей устойчивости это влияние не учитывалось. Автомобиль рассматривался как твердое тело. В действительности он представляет собой систему твердых тел, соединенных шарнирами и упругими элементами. У двухосного автомобиля выделим три твердых тела: кузов и два моста с колесами. Кузов взаимодействует с мостами посредством упругих элементов и направляющих устройств подвески, а мосты с дорогой — посредством эластичных шин. Кузов называют подрессоренной массой, а мосты с колесами — неподрессоренными массами. При воздействии поперечной силы в связи с наличием упругих элементов подвески и шин взаимное положение масс, а также их положение в трехмерном пространстве изменяются.
3) Давайте разберем уравнение движения автомобиля. Необходимое и достаточное условие возможности движения автомобиля. График силового баланса автомобиля.
Условие движения автомобиля
Pсц ≥ Pк ± Pп + Pв + Pи ≤ PТ
Уравнение равномерного движения автомобиля
Где Pд – сила сопротивления дороги, представляет сумму сил сопротивления качению (Pк) и сопротивления подъему (Pп).
Уравнение движения автомобиля представляет собой условие равенства внешних и внутренних сил. Т.е. при движении автомобиля сумма всех внешних сил, действующих на автомобиль, должна уравновешиваться силами инерции.
Отсюда получим условие:
Допустим у нас есть данные:
|
we, рад/с |
80 |
160 |
240 |
|
Ne, кВт |
20 |
28 |
42 |
|
Me, Н · м |
121 |
113 |
141 |
Скорость движения автомобиля на первой (I) передаче:
Тяговая сила автомобиля на первой (I) передаче:
Вверх
График силового баланса
Силовой баланс автомобиля это графическое изображение тягово-скоростных свойств автомобиля. При построение графика силового баланса сначала строят тяговую характеристику.
Вверх
Возможности
По графику силового баланса можно определить:
Вверх
Пример
Исходя из уравнения движения автомобиля по необходимому и достаточному условию, определить возможность преодаления полностью груженным автомобилем дорожного участка, который характеризуется заданным значениям:
Вверх
Решение
Сила сцепления равна:
Сила суммарного дорожного сопротивления Рд равна:
Сила тяги на ведущие колеса Рт равна:
Билет16
1) Дви́гатель вну́треннего сгора́ния — тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. Как любая другая тепловая машина, ДВС преобразует теплоту сгорания топлива в механическую работу.
По сравнению с двигателями внешнего сгорания ДВС:
Содержание
[убрать]
История создания[править | править исходный текст]
Первый практически пригодный двухтактный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Этьеном Ленуаром (1822—1900) в 1860 году. Мощность составляла 8,8 кВт (11,97 л. с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха исветильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. КПД двигателя не превышал 4,65 %. Несмотря на недостатки, двигатель Ленуара получил некоторое распространение. Использовался как лодочный двигатель.
Познакомившись с двигателем Ленуара, выдающийся немецкий конструктор Николаус Аугуст Отто (1832—1891) создал в 1863 двухтактный атмосферный двигатель внутреннего сгорания. Двигатель имел вертикальное расположение цилиндра, зажигание открытым пламенем и КПД до 15 %. Вытеснил двигатель Ленуара.
В 1876 г. Николаус Аугуст Отто построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания.
В 1880-х годах Огнеслав Степанович Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель.
Мотоцикл Даймлера с ДВС 1885 года
В 1885 году немецкие инженеры Готтлиб Даймлер и Вильгельм Майбах разработали легкий бензиновый карбюраторный двигатель. Даймлер и Майбах использовали его для создания первого мотоцикла в 1885, а в 1886 году — на первом автомобиле.
Немецкий инженер Рудольф Дизель стремился повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания и в 1897 предложилдвигатель с воспламенением от сжатия. На заводе «Людвиг Нобель» Эммануила Людвиговича Нобеля в Петербурге в 1898—1899 Густав Васильевич Тринклер усовершенствовал этот двигатель, использовав бескомпрессорное распыливание топлива, что позволило применить в качестве топлива нефть. В результате бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания высокого сжатия с самовоспламенением стал наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1899 на заводе «Людвиг Нобель» построили первый дизель в России и развернули массовое производство дизелей. Этот первый дизель имел мощность 20 л. с., один цилиндр диаметром 260 мм, ход поршня 410 мм и частоту вращения 180 об/мин. В Европе дизельный двигатель, усовершенствованный Густавом Васильевичем Тринклером, получил название «русский дизель» или «Тринклер-мотор». Навсемирной выставке в Париже в 1900 двигатель Дизеля получил главный приз. В 1902 Коломенский завод купил у Эммануила Людвиговича Нобеля лицензию на производство дизелей и вскоре наладил массовое производство.
В 1908 году главный инженер Коломенского завода Р. А. Корейво строит и патентует во Франции двухтактный дизель с противоположно-движущимися поршнями и двумя коленвалами. Дизели Корейво стали широко использоваться на теплоходах Коломенского завода. Выпускались они и на заводах Нобелей.
В 1896 году Чарльз В. Харт и Чарльз Парр разработали двухцилиндровый бензиновый двигатель. В 1903 году их фирма построила 15 тракторов. Их шеститонный #3 является старейшим трактором с двигателем внутреннего сгорания в Соединенных Штатах и хранится в Смитсоновском Национальном музее американской истории в Вашингтоне, округ Колумбия. Бензиновый двухцилиндровый двигатель имел совершенно ненадежную систему зажигания и мощность 30 л. с. на холостом ходу и 18 л. с. под нагрузкой.[1]
Дэн Элбон с его прототипом сельскохозяйственного трактора Ivel
Первым практически пригодным трактором с двигателем внутреннего сгорания был американский трехколесный трактор Ivel Дэна Элборна 1902 года. Было построено около 500 таких легких и мощных машин.
Двигатель, использованныйбратьями Райт в 1910 году
В 1903 году состоялся полёт первого самолёта братьев Орвила и Уилбура Райт. Двигатель самолёта изготовил механик Чарли Тэйлор. Основные части двигателя сделали из алюминия. Двигатель Райт-Тэйлора был примитивным вариантом бензиновогоинжекторного двигателя.
На первом в мире теплоходе — нефтеналивной барже «Вандал», построенной в 1903 году в России на Сормовском заводе для«Товарищества Братьев Нобель», были установлены три четырехтактных двигателя Дизеля мощностью по 120 л. с. каждый. В 1904 году был построен теплоход «Сармат».
В 1924 по проекту Якова Модестовича Гаккеля на Балтийском судостроительном заводе в Ленинграде был создан тепловоз ЮЭ2 (ЩЭЛ1).
Практически одновременно в Германии по заказу СССР и по проекту профессора Ю. В. Ломоносова по личному указаниюВ. И. Ленина в 1924 году на немецком заводе Эсслинген (бывш. Кесслер) близ Штутгарта построен тепловоз Ээл2 (первоначально Юэ001).
Типы двигателей внутреннего сгорания[править | править исходный текст]
Поршневой ДВС
Роторный ДВС
Газотурбинный ДВС
ДВС классифицируют:
а) По назначению — на транспортные, стационарные и специальные.
б) По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).
в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).
г) По объему рабочих полостей и весогабаритным характеристикам — легкие, средние, тяжелые, специальные.
Помимо приведенных выше общих для всех ДВС критериев классификации существуют критерии, по которым классифицируются отдельные типы двигателей. Так, поршневые двигатели можно классифицировать по количеству и расположению цилиндров, по количеству и расположению коленчатых и распределительных валов, по типу охлаждения, по наличию или отсутствию крейцкопфа, наддува (и по типу наддува), по способу смесеобразования и по типу зажигания, по количеству карбюраторов, по типу газораспределительного механизма.
Октановое число топлива[править | править исходный текст]
Основная статья: Октановое число
Энергия передается на коленчатый вал двигателя от расширяющихся газов во время рабочего хода. Сжатие топливо-воздушной смеси до объёма камеры сгорания повышает эффективность работы двигателя и увеличивает его КПД, но увеличение степени сжатия также увеличивает вызываемое сжатием нагревание рабочей смеси согласно закону Шарля.
Если топливо легковоспламеняемое, вспышка происходит до достижения поршнем ВМТ. Это, в свою очередь, заставит поршень провернуть коленвал в обратном направлении — такое явление называют обратной вспышкой.
Октановое число является мерой процентного содержания изооктана в гептан-октановой смеси и отражает способность топлива противостоять самовоспламенению под воздействием температуры. Топлива с более высокими октановыми числами позволяют двигателю с высокой степенью сжатия работать без склонности к самовоспламенению и детонации и, стало быть, иметь более высокую степень сжатия и более высокий КПД.
Работа дизельных двигателей обеспечивается самовоспламенением от сжатия в цилиндре чистого воздуха или бедной газовоздушной смеси, неспособной к самостоятельному горению (газодизель) и отсутствия в заряде топлива до последнего момента.
Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня[править | править исходный текст]
Одним из основополагающих параметров ДВС является отношение хода поршня к диаметру цилиндра (или наоборот). Для более быстроходных бензиновых двигателей это отношение близко к 1, на дизельных моторах ход поршня, как правило, тем больше диаметра цилиндра, чем больше двигатель. Самым оптимальным с точки зрения газодинамики и охлаждения поршня является соотношение 1 : 1. Чем больше ход поршня, тем больший крутящий момент развивает двигатель и тем ниже его рабочий диапазон оборотов. Наоборот, чем больше диаметр цилиндра, тем выше рабочие обороты двигателя и тем ниже его крутящий момент. При большем диаметре цилиндра/поршня сложнее обеспечить должный теплоотвод от донышка поршня ввиду его больших линейных размеров.
Бензиновые[править | править исходный текст]
Основная статья: Бензиновый двигатель
Бензиновые карбюраторные[править | править исходный текст]
Дополнительные сведения: Карбюратор
Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.
Бензиновые инжекторные[править | править исходный текст]
Дополнительные сведения: Инжекторная система подачи топлива
Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок(инжектор). Существуют системы одноточечного (моновпрыск), и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно-рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется с помощью электронного блока управления (ЭБУ), управляющего электрическими бензиновыми вентилями.
Дизельные, с воспламенением от сжатия[править | править исходный текст]
Основная статья: Дизельный двигатель
Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый от сжатия в цилиндре воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топливной смеси происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топливной смеси возникают очаги сгорания, по мере впрыскивания топливная смесь сгорает в виде факела. Так как дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что, в сочетании с длительным горением, обеспечивающим постоянное давление рабочего процесса, благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50 % в случае с крупными судовыми двигателями.
Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо, в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.
Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.
Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.
Газовые двигатели[править | править исходный текст]
Основная статья: Газовый двигатель
Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:
Газодизельные[править | править исходный текст]
Основная статья: Газодизельный двигатель
Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.
Роторно-поршневой[править | править исходный текст]
Схема цикла двигателя Ванкеля: впуск (intake), сжатие (compression), рабочий ход (ignition), выпуск (exhaust); A — треугольный ротор(поршень), B — вал.
Основная статья: Роторно-поршневой двигатель
Дополнительные сведения: Роторно-цилиндро-клапанный двигатель
Предложен изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.
В Германии в конце 70-х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».
Турбонагнетание[править | править исходный текст]
Турбонагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это такой нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова «турбина» (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закреплённых на противоположных концах общего вала. Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На валу, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет «закачивать» под давлением воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание обстановки
обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.
На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор вырабатывает небольшую мощность и приводится в движение малым количеством выхлопных газов. В этом случае турбонагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха.
Турбонагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, потому что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.
Однако существует технологическое ограничение, известное как «турбояма» («турбозадержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры). Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определённое время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное выпускное давление приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается заводами-изготовителями японских и корейских ДВС путём установки системы дополнительного охлаждения турбокомпрессора антифризом).
Комбинированный двигатель внутреннего сгорания[править | править исходный текст]
Основная статья: Комбинированный двигатель внутреннего сгорания
Циклы работы поршневых ДВС[править | править исходный текст]
Двухтактный цикл
Схема работы четырёхтактного двигателя,цикл Отто
1. впуск
2. сжатие
3. рабочий ход
4. выпуск
Дополнительные сведения: Двухтактный двигатель и Четырёхтактный двигатель
|
Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его. |
Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.
Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа или 720 градусов поворота коленчатого вала (ПКВ), состоящий из четырёх отдельных тактов:
Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения. Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW, Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (SAAB AB), обладающие большей гибкостью характеристики.
Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ) до 20—30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20—30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД. В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.
Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Корейво, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100 и танковыми дизелями ХЗТМ. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом. Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20—30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты. В 30х — 40х годах ХХ века были предложены схемы с парами расходящихся поршней — ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один — выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами; верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву. Кольца выхлопных поршней также являются термически нагруженными, склонны к закоксовыванию и потере упругости. Эти особенности делают конструктивное исполнение таких двигателей нетривиальной задачей.
Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.
В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки,, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.
Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС[править | править исходный текст]
Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.
Кроме того, двигателю внутреннего сгорания необходимы система питания (для подачи топлива и воздуха — приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки (предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения (для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламенения топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением).
2) УДК 629.113
Известно, что для сохранения воспроизводящих возможностей дернового покрытия ряда районов страны, автомобили, эксплуатирующиеся в таких районах, должны в качестве движителя иметь колеса с шинами сверхнизкого давления.
Вместе с тем, как показывает опыт эксплуатации таких автомобилей, водители таких автомобилей значительную часть времени осуществляют движение по твердым дорогам общего пользования. В этом случае особое значение приобретает способность таких автомобилей выполнять управляющее воздействие водителя.
Для расчетов показателей устойчивости и управляемости автомобиля использовалась плоская одномассовая модель автомобиля с учетом пространственных факторов с помощью эквивалентных коэффициентов сопротивления уводу.
При моделировании учитывалось: перераспределение вертикальных реакций на колесах при повороте автомобиля и возникающее вследствие этого изменение касательных реакций; увеличение сопротивления качению колеса при повороте; разворачивающий момент в плоскости дороги, возникающий из-за разницы касательных реакций, догружающий или разгружающий какую-либо ось боковой нагрузкой.
При расчете эквивалентных коэффициентов сопротивления уводу учитывалось, что колесо испытывает сумму трех уводов:
- силовой увод — увод колеса под действием боковой силы. Коэффициент сопротивления силовому уводу вычислялся по экспериментальным данным длин отпечатков и боковой деформации при действии боковой нагрузки по известной формуле, указанной в работах [1], [2]. Так как шины имеют явно выраженную нелинейную характеристику зависимости коэффициента сопротивления силовому уводу от вертикальной реакции на колесе и касательной реакции, то проводилась коррекция коэффициента сопротивления силовому уводу по вертикальной и касательной реакциям. Коррекция по вертикальной нагрузке проводилась по методике, изложенной в [3]. Коррекция по касательной реакции проводилась по методике, изложенной в [1];
- кинематический увод колес — увод, вызванный наклоном плоскости вращения колеса к опорной поверхности при крене кузова. В первом приближении угол увода, вызываемый наклоном плоскости колеса к вертикали, линейно пропорционален углу наклона плоскости вращения колеса. Наклон плоскости колеса определяется кинематикой подвески и представляет собой линейную функцию угла крена кузова. При зависимой подвеске колеса наклоняются не по кинематике подвески, а вследствие разной деформации шин;
- кинематический увод оси. Явление такого увода объясняется в работе [4].
Поскольку каждый из углов увода является линейной функцией крена кузова, а крен кузова, в свою очередь, является линейной функцией боковой нагрузки, то каждый из углов увода можно представить линейной функцией боковой нагрузки, приходящейся на данную ось и рассчитать эквивалентные коэффициенты сопротивления уводу по методике, предложенной в работах [5], [6].
Оценка управляемости и устойчивости проводилась при движении по кривой постоянного радиуса с постоянными скоростями.
Критериями оценки управляемости были выбраны:
- коэффициент недостаточной поворачиваемости;
- статическая чувствительность автомобиля к управлению;
- коэффициент запаса по управляемости;
- критическая (или характерная) по управляемости скорость автомобиля.
Критериями оценки устойчивости были выбраны:
- критическая скорость по заносу одной из осей;
- коэффициент сопротивления боковой нагрузке, приходящейся на переднюю и заднюю оси соответственно (коэффициент устойчивости против боковых сил);
- коэффициент запаса против заноса задней оси (т.к. занос задней оси опаснее).
Коэффициент недостаточной поворачиваемости:
kНП = G1 / kэкв1 — G2 / kэкв2 , рад.
G1, G2 — вес, приходящийся на переднюю и заднюю оси соответственно (Н).
kэкв1 и kэкв2 — эквивалентные коэффициенты сопротивления уводу осей.
Недостатком коэффициента недостаточной поворачиваемости является его размерная величина (рад), поэтому он не может служить объективным критерием, позволяющим сравнивать характеристики различных по весовым и размерным параметрам автомобилей.
Достоинством kНП является то, что он в чистом виде входит в некоторые формулы, с помощью которых определяется ряд показателей, характеризующих поведение автомобиля при криволинейном движении. Например, средний угол поворота управляемых колес иук при движении по кривой заданного радиуса:
Qук = L / R + kНП . (Jy / g), рад.
С помощью kНП можно определить характерную и критическую по управляемости скорости автомобиля. Характерная скорость присуща автомобилю с недостаточной поворачиваемостью. Это скорость, при которой для движения по кривой заданного радиуса нужно повернуть управляемые колеса на удвоенный угол (по сравнению с автомобилем, имеющим нейтральную поворачиваемость, Qук = 2 . Qук НП ):
Vхар = (vg . L) / kНП — характерная скорость, м/с.
Qук НП — угол поворота управляемых колес при нейтральной поворачиваемости.
Qук НП = L / R, рад.
L — база автомобиля, м;
R — радиус поворота автомобиля, м.
Критическая скорость присуща автомобилю с избыточной поворачиваемостью. Это скорость, при которой автомобиль движется по криволинейной траектории при неповернутом рулевом колесе, т.е. автомобиль теряет устойчивость движения. Условием избыточной поворачиваемости является отрицательное значение коэффициента недостаточной поворачиваемости.
Vкр = (vg . L) / — kНП — критическая по управляемости скорость, м/с.
В качестве характеристики, оценивающей управляемость автомобиля при криволинейном движении, можно использовать статическую чувствительность автомобиля к управлению, представляющую собой передаточную функцию системы управления траекторией движения автомобиля, т.е. отношение выходного сигнала — угловой скорости поворота продольной оси автомобиля к входному сигналу — углу поворота управляемых колес.
Статическая чувствительность к управлению:
w = wo / Qук, с-1.
В качестве безразмерного, т.е. объективного показателя управляемости можно принять безразмерный коэффициент kз.у. запаса по управляемости — отношение расстояния от центра масс до центра боковых реакций к базе автомобиля:
kз.у. = I / L,
I — расстояние от центра масс до центра боковых реакций.
Центр боковых реакций — точка на продольной оси автомобиля, характерная тем, что при приложении к ней боковой силы углы увода передней и задней осей будут одинаковы.
Смещение центра боковых реакций в сторону задней оси принимается положительным, а в сторону передней — отрицательным.
Координаты центра боковых реакций:
Lg1 = ( kэкв1 . L) / (kэкв1 + kэкв2 ) — расстояние от центра боковых реакций до передней оси,
Lg2 = ( kэкв2 . L) / (kэкв1 + kэкв2 ) — расстояние от центра боковых реакций до задней оси,
Коэффициент запаса по управляемости:
kз.у. = ( L2 . kэкв2 — L1 . kэкв1 ) / ( kэкв2 + kэкв1 )
L1 , L2 — расстояния от центра масс до передней и задней осей соответственно, м.
Устойчивость автомобиля против заноса одной из осей оценивается критической скоростью по заносу одной из осей, коэффициентами сопротивления боковой нагрузке, коэффициентом сопротивления заносу задней оси.
Коэффициент сопротивления боковой нагрузке, приходящейся на переднюю ось (коэффициент устойчивости против боковых сил):
kу1 = ( Ry1 max — Ry1 ) / Ry1 или kу1 = d Ry1 / Ry1
Коэффициент сопротивления боковой нагрузке, приходящейся на заднюю ось (коэффициент устойчивости против боковых сил):
kу2 = ( Ry2 max — Ry2 ) / Ry2 или kу2 = d Ry2 / Ry2
Коэффициент устойчивости против заноса задней оси:
kу = kу2 / kу1 — 1
где Ry1 , Ry2 — суммарные боковые реакции на колесах передней и задней осей соответственно, Н.
d Ry1 , d Ry2 — суммарные запасы боковых реакций на осях, Н.
Ry1 max , Ry2 max — максимальные по сцеплению с дорогой суммарные боковые реакции на осях, Н.
Для моделирования на ЭВМ установившегося криволинейного движения по предлагаемой методике использовалась расчетная программа на алгоритмическом языке QBasic 4.5, разработанная на кафедре «Автомобили» МГТУ «МАМИ» Е.Е. Баулиной. Расчеты можно проводить для движения автомобиля с постоянной скоростью по кривой различных радиусов или для движения автомобиля с разными скоростями по кривой постоянного радиуса. Для проведения испытаний наиболее простым является режим движения при постоянном радиусе.
Для наиболее полной картины поведения автомобиля расчеты проводились для двух значений радиусов поворота - 20 и 125 м.
При создании расчетной программы на ЭВМ вводятся следующие ограничения:
При выполнении одного из этих условий расчет прекращается. В результате определится критическая скорость по заносу одной из осей.
Расчеты выполнены применительно к автомобилю «Трикол», техническая характеристика которого представлена в периодической литературе. Некоторые характеристики, необходимые для расчета, приведены ниже:
- вертикальная жесткость шин — 133 416 Н/м;
- вертикальная жесткость пружин (передней подвески) — 37 769 Н/м;
- вертикальная жесткость рессор (задней подвески) — 39 731 Н/м;
- приведенная жесткость передней подвески с учетом жесткости шин — 29 436 Н/м;
- приведенная жесткость задней подвески с учетом жесткости шин — 30 614 Н/м;
- угловая жесткость передней подвески — 50 372 Нм/рад;
- угловая жесткость задней подвески — 52 388 Нм/рад;
- коэффициент сопротивления силовому уводу шин при давлении 0,06 МПа — 1 659 Н/рад.
На рис. 1-4 приведены характеристики некоторых рассчитанных оценочных параметров управляемости. На приведенных характеристиках:
- линия «нп» соответствует нейтральной поворачиваемости;
- линия «хар» соответствует удвоенному углу поворота рулевого колеса, показывающему характерные скорости автомобиля;
- «Vхар.мин.» — минимальное значение характерной скорости;
- «Vхар.макс.» — максимальное значение характерной скорости;
- «Vзан» — скорость, при которой происходит занос одной из осей;
- «Vмакс» — максимальная скорость автомобиля.
Результаты расчета при движении по кривой радиуса 20 м (рис. 1, 2).
Рисунок 1. Характеристика статической чувствительности к управлению
Рисунок 2. Характеристика угла поворота рулевого колеса
Результаты расчета при движении по кривой радиуса 125 м (рис. 3, 4)
Рисунок 3. Характеристика статической чувствительности к управлению
Рисунок 4. Характеристика угла поворота рулевого колеса
Проведенные расчеты показали, что автомобиль на шинах сверхнизкого давления при движении на дорогах с твердым покрытием обладает чрезмерной недостаточной поворачиваемостью. Так, при движении на повороте радиусом 125 м и давлении в шинах 0,06 МПа коэффициент недостаточной поворачиваемости равен 0,255 рад, характерная скорость составляет 35 км/ч, коэффициент запаса по управляемости — 0,017.
На этом радиусе автомобиль не может попасть в занос, так как критическая скорость по заносу автомобиля составляет 116,5 км/ч, что выше максимальной скорости автомобиля.
При движении автомобиля по меньшим радиусам поворота качественная картина поворачиваемости сохраняется, автомобиль обладает теми же характерными скоростями, предельная скорость по заносу при радиусе 20 м составляет 46,5 км/ч.
Таким образом, исследование управляемости и устойчивости автомобиля на шинах сверхнизкого давления показало, что движение такого автомобиля на дорогах общего пользования в принципе возможно, но требует повышенного внимания водителя и приводит к быстрой его утомляемости.
Для обеспечения возможности уверенного движения автомобилей на шинах сверхнизкого давления по дорогам общего пользования необходимо предусмотреть систему принудительного регулирования давления воздуха в шинах и при выезде таких автомобилей на дороги общего пользования обязать водителей поднимать давление воздуха в шинах до величин, обеспечивающих уверенное движение этих автомобилей по таким дорогами при существенном уменьшении их недостаточной поворачиваемости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Антонов Д.А. Расчет устойчивости движения многоосных автомобилей. М.: Машиностроение, 1984 — 165 с.
2. Бойков В.П., Белковский В.Н. Шины для тракторов и сельскохозяйственных машин. — М.: Агропромиздат, 1988. — 240 с.
3. Литвинов А.С. Управляемость и устойчивость автомобиля. М.: Машиностроение, 1971 г.
4. Родионов В.Ф., Фиттерман Б.М. Проектирование легковых автомобилей. — М.: Машиностроение, 1980. — 480 с.
5. Селифонов В.В., Титков А.И. Статические характеристики управляемости. Учебное пособие по дисциплине «Теория автомобиля». — М.: МАМИ, 1990 г.
6. Селифонов В.В. Теория автомобиля. Учебное пособие. — М.: ООО «Гринлайт», 2009. — 208 с.
МГТУ «МАМИ» — НИЦИАМТу
…На протяжении всего периода существования центрального автополигона страны нас связывают совместные научные исследования по перспективным проблемам автостроения. Только за последние годы выполнен ряд экспериментальных исследований по разработке и созданию гибридных автомобилей. Так в рамках научно-образовательного центра «Автомобили с гибридными силовыми установками» и НТЦ «Спецтехника» совместными усилиями проведены полномасштабные стендовые и дорожные испытания многоцелевого автомобиля с гибридной силовой установкой на базе УАЗ-3153, а также многоосного полноприводного автомобиля с электротрансмиссией на базе БАЗ-М6910.
…Большинство сотрудников НИЦИАМТа — выпускники нашего вуза, и это еще больше сближает наши научные школы. Нам приятно отметить, что ученые МГТУ «МАМИ» и НИЦИАМТа активно и плодотворно сотрудничают в решении многих задач совершенствования автомобильной техники, тем самым укрепляя и развивая традиционные партнерские отношения между нашими организациями.
…Многие сотрудники НИЦИАМТа успешно совмещают нелегкую работу исследователей и испытателей автомобильной техники с не менее трудной работой преподавателей в МГТУ «МАМИ».
3)?????????????
Билет17
1) 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения.
Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания приведена на рис. 1.1. Исходным признаком классификации принят род топлива, на котором работает двигатель. Газообразным топливом для ДВС служат природный, сжиженный и генераторный газы. Жидкое топливо представляет собой продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо и др. Газожидкостные двигатели работают на смеси газообразного и жидкого топлива, причем основным топливом является газообразное, а жидкое используется как запальное в небольшом количестве. Многотопливные двигатели способны длительно работать на разных топливах в диапазоне от сырой нефти до высокооктанового бензина.
Двигатели внутреннего сгорания классифицируют также по следующим признакам:
Рис. 1.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания.
Преобразование химической энергии топлива, сжигаемого в цилиндре двигателя, в механическую работу совершается с помощью газообразного тела – продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива. Под действием давления газов поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма ДВС. Прежде чем рассматривать рабочие процессы, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.
За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в крайних положениях, где изменяется направление его движения (рис 1.2). Эти положения поршня принято называть мертвыми точками, так как усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает минимума.
Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°.
Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема надпоршневого пространства. Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания Vc.
Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра Vh.
,
где D – диаметр цилиндра, мм;
S – ход поршня, мм
Объем надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ называют полным объемом цилиндра Va.
.
Рис 1.2. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания
Рабочий объем двигателя представляет собой произведение рабочего объема цилиндра на число цилиндров.
Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называют степенью сжатия
.
При перемещении поршня в цилиндре кроме изменения объема рабочего тела изменяются его давление, температура, теплоемкость, внутренняя энергия. Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую.
Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помощью специальных механизмов и систем двигателя.
Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен по одной из двух схем, изображенных на рис. 1.3.
По схеме, изображенной на рис. 1.3а, рабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается сжатию. Сжатие смеси, как будет показано ниже, необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси воздуха с топливом.
Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется.
а) б)
Рис. 1.3. Схемы рабочего цикла двигателей
В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, и наполнение цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях.
Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная вспышка или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки цилиндра и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием находится в пределах 1.0–2.0 МПа.
Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра. Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет улучшить экономичность двигателя, а необходимость в принудительном зажигании усложняет его конструкцию.
В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на рис. 1.3б, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыляется и перемешивается с воздухом в цилиндре. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь. Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате разогрева воздуха до температур, превышающих самовоспламенение топлива вследствие сжатия. Впрыск топлива во избежание преждевременной вспышки начинается только в конце такта сжатия. К моменту воспламенения обычно впрыск топлива еще не заканчивается. Топливовоздушная смесь, образующаяся в процессе впрыска, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха. В результате более высокой степени сжатия, допустимой при работе двигателя по данной схеме, обеспечивается и более высокий КПД. После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск). Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Такие двигатели называются двигателями с внутренним смесеобразованием. Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называются двигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями.
Двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта, или за два оборота коленчатого вала, называется четырехтактным. Рабочий цикл в таком двигателе происходит следующим образом.
Первый такт – впуск (рис. 1.4). В начале первого такта поршень находится в положении, близком к ВМТ. Впуск начинается с момента открытия впускного отверстия, за 10–30° до ВМТ.
|
Рис. 1.4. Впуск |
Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного. На индикаторной диаграмме начальному положению поршня соответствует точка r. При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм полностью открывает впускной клапан и соединяет надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. В начальный момент впуска клапан только начинает подниматься и впускное отверстие представляет собой круглую узкую щель высотой в несколько десятых долей миллиметра. Поэтому в этот момент впуска горючая смесь (или воздух) в цилиндр почти не проходит. Однако опережение открытия впускного отверстия необходимо для того, чтобы к моменту начала опускания поршня после прохода им ВМТ оно было бы открыто возможно больше и не затрудняло бы поступления воздуха или смеси в цилиндр. В результате движения поршня к НМТ цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). |
При этом вследствие сопротивления впускной системы и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0.01–0.03 МПа меньше давления во впускном трубопроводе. На индикаторной диаграмме такту впуска соответствует линия rа.
Такт впуска состоит из впуска газов, происходящего при ускорении движения опускающегося поршня, и впуска при замедлении его движения.
Впуск при ускорении движения поршня начинается в момент начала опускания поршня и заканчивается в момент достижения поршнем максимальной скорости приблизительно при 80° поворота вала после ВМТ. В начале опускания поршня вследствие малого открытия впускного отверстия в цилиндр проходит мало воздуха или смеси, а поэтому остаточные газы, оставшиеся в камере сгорания от предшествующего цикла, расширяются и давление в цилиндре падает. При опускании поршня горючая смесь или воздух, находившаяся в покое во впускном трубопроводе или двигавшаяся в нем с небольшой скоростью, начинает проходить в цилиндр с постепенно увеличивающейся скоростью, заполняя объем, освобождаемый поршнем. По мере опускания поршня его скорость постепенно увеличивается и достигает максимума при повороте коленчатого вала примерно на 80°. При этом впускное отверстие открывается все больше и больше и горючая смесь (или воздух) в цилиндр проходит в больших количествах.
Впуск при замедленном движении поршня начинается с момента достижения поршнем наибольшей скорости и оканчивается НМТ, когда скорость его равна нулю. По мере уменьшения скорости поршня скорость смеси (или воздуха), проходящей в цилиндр, несколько уменьшается, однако в НМТ она не равна нулю. При замедленном движении поршня горючая смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет увеличения объема цилиндра, освобождаемого поршнем, а также за счет своей силы инерции. При этом давление в цилиндре постепенно повышается и в НМТ может даже превышать давление во впускном трубо- проводе.
Давление во впускном трубопроводе может быть близким к атмосферному в двигателях без наддува или выше него в зависимости от степени наддува (0.13–0.45 МПа) в двигателях с наддувом.
Впуск окончится в момент закрытия впускного отверстия (40–60°) после НМТ. Задержка закрытия впускного клапана происходит при постепенно поднимающемся поршне, т.е. уменьшающемся объеме газов в цилиндре. Следовательно, смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет ранее созданного разрежения или инерции потока газа, накопленной в процессе течения струи в цилиндр.
При малых числах оборотов вала, например при пуске двигателя, сила инерции газов во впускном трубопроводе почти полностью отсутствует, поэтому во время задержки впуска будет идти обратный выброс смеси (или воздуха), поступившей в цилиндр ранее во время основного впуска.
При средних числах оборотов инерция газов больше, поэтому в самом начале подъема поршня происходит дозарядка. Однако по мере подъема поршня давление газов в цилиндре увеличится и начавшаяся дозарядка может перейти в обратный выброс.
При больших числах оборотов сила инерции газов во впускном трубопроводе близка к максимуму, поэтому происходит интенсивная дозарядка цилиндра, а обратный выброс не наступает.
Второй такт – сжатие. При движении поршня от НМТ к ВМТ (рис. 1.5) производится сжатие поступившего в цилиндр заряда.
Давление и температура газов при этом повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится одинаковым с давлением впуска (точка т на индикаторной диаграмме). После закрытия клапана при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают повышаться. Значение давления в конце сжатия (точка с) будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки, а также от величины начального давления сжатия.
|
Рис 1.5. Сжатие |
На воспламенение и процесс сгорания топлива как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании требуется некоторое время, хотя и очень незначительное. Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня, возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение рабочей смеси от электрической искры в двигателях с внешним смесеобразованием и впрыск топлива в цилиндр двигателей с внутренним смесеобразованием обычно производятся до прихода поршня в ВМТ. Таким образом, во время второго такта в цилиндре в основном производится сжатие заряда. Кроме того, в начале такта продолжается зарядка цилиндра, а в конце начинается сгорание топлива. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ас. Третий такт – сгорание и расширение.Третий такт происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ (рис. 1.6). В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившее в цилиндр и подготовленное к этому в конце второго такта. |
Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре резко повышаются, несмотря на некоторое увеличение внутри цилиндрового объема (участоксz на индикаторной диаграмме).
Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня к НМТ и расширение газов. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом. На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линия сzb.
|
Рис. 1.6. Расширение |
Четвертый такт – выпуск. Во время четвертого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов (рис. 1.7). Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. В четырехтактных двигателях открывают выпускное отверстие на 40–80° до прихода поршня в НМТ (точка b) и закрывают его через 20-40° после прохода поршнем ВМТ. Таким образом, продолжительность очистки цилиндра от отработавших газов составляет в разных двигателях от 240 до 300° угла поворота коленчатого вала. Процесс выпуска можно разделить на предварение выпуска, происходящее при опускающемся поршне от момента открытия выпускного отверстия (точка b) до НМТ, т. е. в течение 40–80°, и основной выпуск, происходящий при перемещении поршня от НМТ до закрытия выпускного отверстия, т. е. в течение 200–220° поворота коленчатого вала. Во время предварения выпуска поршень опускается, и удалять из цилиндра отработавшие газы не может. |
Однако в начале предварения выпуска давление в цилиндре значительно выше, чем в выпускном коллекторе.
Поэтому отработавшие газы за счет собственного избыточного давления с критическими скоростями выбрасываются из цилиндра. Истечение газов с такими большими скоростями сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители.
Критическая скорость истечения отработавших газов при температурах 800 –1200 К составляет 500–600 м/сек.
|
Рис. 1.7. Выпуск |
При подходе поршня к НМТ давление и температура газа в цилиндре понижаются и скорость истечения отработавших газов падает. Когда поршень подойдет к НМТ, давление в цилиндре понизится. При этом критическое истечение окончится и начнется основной выпуск. Истечение газов во время основного выпуска происходит с меньшими скоростями, достигающими в конце выпуска 60–160 м/сек. Таким образом, предварение выпуска менее продолжительно, скорости газов очень велики, а основной выпуск примерно в три раза продолжительнее, но газы в это время выводят из цилиндра с меньшими скоростями. Поэтому количества газов, выходящих из цилиндра во время предварения выпуска и основного выпуска, примерно одинаковы. По мере уменьшения частоты вращения двигателя уменьшаются все давления цикла, а следовательно, и давления в момент открытия выпускного отверстия. Поэтому при средних частотах вращения сокращается, а при некоторых режимах (при малых оборотах) совершенно пропадает истечение газов с критическими скоростями, характерными для предварения выпуска. |
Температура газов в трубопроводе по углу поворота кривошипа меняется от максимальной в начале выпуска до минимальной в конце. Предварение открытия выпускного отверстия несколько уменьшает полезную площадь индикаторной диаграммы. Однако более позднее открытие этого отверстия вызовет задержку газов с высоким давлением в цилиндре и на их удаление при перемещении поршня придется затратить дополнительную работу.
Небольшая задержка закрытия выпускного отверстия создает возможность использования инерции выпускных газов, ранее вышедших из цилиндра, для лучшей очистки цилиндра от сгоревших газов. Несмотря на это, часть продуктов сгорания неизбежно остается в головке цилиндра, переходя от каждого данного цикла к последующему в виде остаточных газов. На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия zb.
Четвертым тактом заканчивается рабочий цикл. При дальнейшем движении поршня в той же последовательности повторяются все процессы цикла.
Только такт сгорания и расширения является рабочим, остальные три такта осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров.
Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше, следовательно, можно будет получить полезной работы за цикл.
Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 5–30° после ВМТ), т. е. в начале первого такта. По этой же причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10–30° до ВМТ, т. е. в конце четвертого такта). Таким образом, в конце четвертого такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана. Такое положение клапанов называется перекрытием клапанов. Оно способствует улучшению наполнения в результате эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.
Из рассмотрения четырехтактного цикла работы следует, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос.
1.3. Рабочий цикл двухтактного ДВС
Более полно время, отводимое на рабочий цикл, используется в двухтактных двигателях, в которых рабочий цикл совершается за два такта, т. е. за один оборот коленчатого вала. В отличие от четырехтактных двигателей, в двухтактных очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, или, другими словами, процесс газообмена, происходят только при движении поршня вблизи НМТ. При этом очистка цилиндра от выпускных газов осуществляется путем вытеснения их не поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью. Предварительное сжатие воздуха или смеси производится в специальном продувочном насосе или компрессоре, исполняемом в виде отдельного агрегата. В небольших двигателях в качестве продувочного насоса иногда используются внутренняя полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя.
В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть воздуха или горючей смеси неизбежно удаляется из цилиндра вместе с выпускными газами через выпускные органы. Эта утечка воздуха или горючей смеси учитывается при выборе производительности продувочного насоса или компрессора.
В двухтактных двигателях применяются различные схемы газообмена.
Прямоточная клапанно-щелевая схема газообмена (рис. 1.8). Основными особенностями устройства двигателя этого типа являются: 1) впускные окна (1), расположенные в нижней части цилиндра, высота которых составляет около 10–20 % хода поршня. Открытие и закрытие впускных окон производится поршнем (3) при его движении в цилиндре;
2) выпускные клапаны (4), размещенные в крышке цилиндра, с приводом от распределительного вала, частота вращения которого обеспечивает открытие клапанов один раз за один оборот коленчатого вала;
|
Рис. 1.8. Прямоточная клапанно-щелевая схема газообмена
|
3) продувочный насос нагнетает воздух под давлением через открытые окна (1) для очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения свежим зарядом. Петлевая схема газообмена (рис. 1.9) значительно упрощает конструкцию двигателя по сравнению с клапанно-щелевой, но при этом ухудшается качество газообмена и возникают потери воздуха или смеси при наполнении. Петлевая схема газообмена отличается большим разнообразием конструктивного выполнения и широко применяется в двигателях различного назначения (от маломощных для мопедов до крупных, мощностью в несколько десятков тысяч киловатт для судов). |
|
Рис 1.9. Петлевая схема газообмена |
|
Прямоточная схема газообмена с противоположно движущимися поршнями (рис. 1.10), в которой один поршень (3) управляет впускными окнами, а другой – выпускными, обеспечивает высокое качество газообмена.
|
Рис 1.10. Прямоточная схема газообмена |
Для предварительного сжатия горючей смеси или воздуха, как было указано выше, в двухтактных двигателях может быть использована внутренняя полость картера (кривошипная камера). Такие двигатели называютсядвигателями с кривошипно-камерной схемой газообмена (рис. 1.11). Они имеют герметически закрытый картер, который и служит продувочным насосом. При движении поршня от НМТ к ВМТ объем пространства под ним увеличивается и давление падает ниже атмосферного, т. е. в кривошипной камере создается разрежение. |
Вследствие этого наружный воздух устремляется в картер через автоматически действующий впускной клапан. При обратном движении поршня до момента открытия впускных окон происходит сжатие свежего заряда в кривошипной камере. После открытия впускных окон сжатый свежий заряд вытесняется из камеры в цилиндр.
Рис. 1.11 Кривошипно-камерная схема газообмена
Преимущество двухтактных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена – простота устройства. Однако при данном способе газообмена очистка цилиндра и наполнение его свежим зарядом по сравнению с другими способами происходят значительно хуже, в результате чего уменьшается мощность и ухудшается экономичность двигателя.
На рис. 1.12 и 1.13 показана схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена.
Первый такт. Первый такт соответствует ходу поршня ВМТ к НМТ (рис. 1.12). В цилиндре только что прошло сгорание (линия cz на индикаторной диаграмме) и начался процесс расширения газов, т. е. осуществляется рабочий ход. Несколько раньше момента прихода поршня к впускным окнам открываются выпускной клапан в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок; при этом давление в цилиндре резко падает (участок тk на индикаторной диаграмме).
Рис 1.12. Первый такт двухтактного ДВС
Впускные окна открываются поршнем, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воздух, поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре продукты сгорания и заполняет цилиндр (продувка), т. е. осуществляется газообмен. Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск выпускных газов, продувка и наполнение цилиндра.
Второй такт. Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ (рис. 1.13). В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее.
Рис 1.13. Второй такт двухтактного ДВС
Давление в цилиндре к концу газообмена в двухтактных двигателях несколько выше атмосферного и зависит от давления воздуха в ресивере. С момента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10–30° по углу поворота коленчатого вала до ВМТ (точка с'), в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо. Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе.
В отличие от четырехтактного двигателя в двухтактном двигателе отсутствуют такты впуска и выпуска как самостоятельные такты, для которых требуется один оборот коленчатого вала. В двухтактных двигателях процессы выпуска и впуска осуществляются на небольших участках хода поршня, соответствующего основным тактам расширения и сжатия.
Из рассмотрения рабочего цикла двухтактного двигателя (индикаторная диаграмма на рис. 1.12) видно, что на части хода поршня, когда происходит газообмен, полезная работа не совершается. Объем VП, соответствующий этой части хода поршня, называется потерянным. Тогда объем, описываемый поршнем при движении от точки m, определяющей момент начала сжатия, до ВМТ и называемый действительным рабочим объемом, равен
.
С учетом сказанного действительная степень сжатия
.
Отношение потерянного объема VП к геометрическому рабочему объему Vh представляет собой долю потерянного объема на процесс газообмена
.
В двухтактных двигателях 10…38%.
Сравнение рабочих циклов четырех– и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частотах вращения мощность двухтактного двигателя значительно больше. Учитывая увеличение числа рабочих циклов в 2 раза, следовало бы ожидать и увеличения мощности в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1.5–1.7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также затраты мощности на приведение в действие продувочного насоса. К преимуществам двухтактных двигателей следует также отнести большую равномерность крутящего момента, так как полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленчатого вала. Существенным недостатком двухтактного процесса по сравнению с четырехтактным является малое время, отводимое на процесс газообмена. Очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом более совершенно происходят в четырехтактных двигателях. Кроме того, в двухтактном двигателе температурная нагрузка на поршень, крышки цилиндра и клапана выше, чем в четырехтактном.
При внешнем смесеобразовании в результате продувки цилиндра горючей смесью она частично выбрасывается через выпускные окна, поэтому двухтактный процесс применяется чаще в дизелях. Исключение составляют мотоциклетные, лодочные и другие двигатели небольшой мощности, для которых большее значение имеет простота и компактность конструкции, чем экономичность.
2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Тепловой расчет служит не только базой теории ДВС, но и эффективным методом комплексного изучения сложных процессов, происходящих в цилиндре при превращении тепловой энергии в механическую. Это обстоятельство определяет важную роль теплового расчета в формировании инженеров, будущая работа которых связана с эксплуатацией силовых установок с ДВС.
Метод теплового расчета рабочего цикла позволяет учесть изменение физических свойств рабочего тела, влияние теплообмена между рабочим телом и окружающей средой в процессе реализации рабочего цикла. В результате выполнения теплового расчета определяются основные параметры газа в характерных точках индикаторной диаграммы, что в итоге позволяет оценить степень совершенства цикла и целесообразность изготовления опытного образца двигателя. Некоторые параметры рабочего тела (давление, температура) и характер их изменения могут служить в качестве исходных данных при расчете деталей двигателя на прочность. По количеству получаемой в цикле работы и значению объема газа в конце процесса расширения можно судить не только об экономичности, но и о габарите и массе двигателя, т. е. о показателях, оказывающих влияние на общую компоновку лесных машин.
2.1. Теоретические термодинамические циклы ДВС
Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания, работающих по разным циклам, трудно сравнить в реальных условиях. В этих условиях особенность протекания отдельного процесса рабочего цикла или деталь конструкции двигателя могут повлиять на конечные результаты сравнения. Поэтому основные показатели разных циклов на первом этапе рассматривают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях, в воображаемой тепловой машине. На втором этапе в теоретические зависимости (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) вводятся коэффициенты, учитывающие действительные условия.
В теоретических циклах введены следующие допущения:
В соответствии с этими допущениями теоретический цикл представляет собой замкнутый цикл, осуществляемый в воображаемой тепловой машине постоянной несменяемой порцией рабочего тела. Вследствие замкнутости процессы сгорания и выпуска рабочего тела при действительном цикле заменяют подводом и отводом теплоты. Процессы сжатия и расширения предполагаются адиабатическими, т.к. это обеспечивает максимальное теплоиспользование.
Теоретические циклы имеют минимальное количество потерь, находящихся в строгом соответствии со вторым законом термодинамики. Существующие двигатели внутреннего сгорания работают по одному из трех циклов, имеющих свои характерные особенности.
2.1.1. Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном объеме
Автомобильные карбюраторные двигатели, а также двигатели газогенераторные, газобаллонные и с впрыском легкого топлива работают по циклу, в котором горючая смесь, вошедшая в цилиндр во время впуска, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня около ВМТ, т. е. при почти неизменяемом объеме.
Индикаторная диаграмма теоретического цикла показана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном объеме
Теоретический цикл с сообщением тепла при постоянном объеме осуществляется следующим образом. При движении поршня от НМТ (точка а диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. Чтобы довести потери тепла до минимума, стенки цилиндра должны быть абсолютно нетеплопроводными, т. е. покрытыми идеальной тепловой изоляцией. В этом случае процесс сжатия (линия ас индикаторной диаграммы) будет адиабатическим, а внешняя механическая работа, затрачиваемая на сжатие, полностью пойдет на увеличение внутренней энергии сжимаемого газа.
Давление газа в цилиндре в конце процесса сжатия (точка с) равно:
,
где k – показатель адиабаты идеального газа.
Температура газа в цилиндре в конце процесса сжатия (точка с) равна:
.
В конце сжатия, с приходом поршня в ВМТ, происходит не процесс сгорания, как в действительном цикле, а простое мгновенное сообщение теплоты Q1 рабочему телу; результатом этого будет повышение его температуры и давления при постоянном объеме (изохоры сz). При положении поршня в ВМТ (точка z диаграммы) сообщение теплоты прекращается.
Степень повышения давления газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты
,
где Pz – давление газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты.
Температура газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты (точка z)
.
Затем газ адиабатически расширяется, его внутренняя энергия частично превращается во внешнюю механическую работу. В НМТ (точка b диаграмм) процесс расширения, графически изображенный адиабатой zb, заканчивается.
Давление газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Температура газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Для повторения цикла надо вернуть газ в начальное состояние, характеризуемое точкой a индикаторной диаграммы. Для этого необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту, представляющую собой долю Q2 от ранее введенной теплоты Q1. Таким образом, даже при осуществлении теоретического цикла часть вводимой теплоты теряется и, следовательно, не может быть полного превращения теплоты в работу.
Степень преобразования теплоты в работу любого теоретического цикла оценивается термическим КПД, который представляет собой отношение теплоты, превращенной в полезную работу газов, к подведенной теплоте Q1.
В теоретическом цикле какие-либо дополнительные тепловые потери, за исключением количества теплоты Q2, отсутствуют.
Поэтому в полезную работу превращается разность количеств теплоты Q1 – Q2, тогда термический КПД можно выразить формулой:
В цикле с сообщением теплоты при постоянном объеме вводимое количество Q1 теплоты и отводимое Q2 пропорциональны его изохорной теплоемкости Сν и соответствующим разностям температур:
Термический КПД можно определять, подставив найденные значения температур:
Согласно уравнению термического КПД, экономичность цикла с подводом теплоты при постоянном объеме возрастает при увеличении степени сжатия и показателя адиабаты идеального газа.
2.1.2. Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном давлении
По этому циклу работают стационарные и судовые компрессорные двигатели с воспламенением от сжатия или компрессорные дизели.
В дизели в процессе впуска поступает воздух, давление и температура которого повышаются в процессе сжатия. Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (от 14 до 20) давление конца сжатия приближается к 3–4 МПа и соответствующая температура значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия через форсунку, мелко распыляется и, приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть.
В этих двигателях для обеспечения хорошего распыливания топлива используют сжатый воздух с давлением около 6 МПа, получаемый в специальных компрессорах, включенных в конструктивную схему двигателя. Насос подает топливо в форсунку, в которую из компрессора подводится сжатый воздух, и в нужный момент внутренняя полость форсунки сообщается с цилиндром, куда поступает смесь распыляющего воздуха и топлива.
Ввиду постепенной подачи топлива через форсунку нельзя получить резкого повышения давления при сгорании, как в цикле с сообщением теплоты при V = const, где все топливо перед сгоранием находится в цилиндре. В двигателях, работающих по циклу с подводом теплоты при P = const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне, при почти постоянном давлении.
Диаграмма теоретического цикла с подводом тепла при постоянном давлении показана на рис. 2.2.
При движении поршня от НМТ (точка a диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. В этом случае процесс сжатия (линия ас индикаторной диаграммы) будет адиабатическим. Давление и температура в конце этого процесса определяется так же, как и при термодинамическом цикле с подводом теплоты при постоянном давлении.
В конце сжатия, с приходом поршня в ВМТ, происходит, как в ранее рассмотренном теоретическом цикле, мгновенное сообщение теплоты Q1 рабочему телу; результатом этого будет повышение его температуры при постоянном давлении (изобара сz).
Рис. 2.2. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном давлении
При положении поршня, когда объем надпоршневого пространства равен VZ (точка z диаграммы), сообщение теплоты прекращается.
Степень предварительного расширения газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты:
.
Тогда температура газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты (точка z)
.
Затем газ адиабатически расширяется (линия zb диаграммы).
Давление газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Температура газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Для повторения цикла необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту Q2 от введенной теплоты Q1 при постоянном объеме Va.
Термический КПД выражается формулой:
.
В цикле с сообщением теплоты при постоянном объеме вводимое количество Q1 теплоты пропорционально его изобарной теплоемкости СP, а отводимое Q2 пропорционально его изохорной теплоемкости Сν и соответствующим разностям температур:
Термический КПД можно определять подставив значения температур с учетом того, что:
Двигатели этого типа в качестве транспортных не использовались вследствие громоздкости установки, снабженной компрессором, имевшим две или три ступени давления. Поэтому данный цикл в дальнейшем рассматриваться не будет.
2.1.3. Теоретический цикл двигателей с подводом тепла при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл)
Тракторные и автомобильные двигатели работают по смешанному циклу на дизельном топливе. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14.
Индикаторная диаграмма теоретического цикла представлена на рис. 2.3.
В теоретическом цикле кривая ас диаграммы изображает адиабатическое сжатие рабочего тела, заключенного в цилиндре, сz и zz' – сообщение теплоты, z'b – адиабатическое расширение и ba – отдачу части сообщенной теплоты холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики.
Рис. 2.3. Индикаторная диаграмма смешанного
теоретического цикла
Значения температуры и давления в конце процесса сжатия аналогичны предшествующим формулам:
; .
Максимальное давление смешанного цикла:
.
Температура в ВМТ равна:
.
Температура в конце процесса подвода теплоты равна:
.
Давление в конце адиабатного расширения равно:
.
Температура в конце адиабатного расширения определяется формулой:
Термический КПД теоретического цикла можно определить по разности количества теплоты: Q1' + Q1'', введенных соответственно при V = const (по изохоре сz) и при р = const (по изобаре zz') и Q2, отданного холодному источнику при V = const (по изохоре ba):
.
Теплота, сообщаемая соответственно по изохоре и изобаре, и отводимая теплота равны
Подставляя Q1', Q1'' и Q2 в уравнение, определяющее термический КПД смешанного цикла, заменяя все температуры через температуру начала сжатия Tа, аналогично предшествующим выводам и учитывая, что
,
получаем
Это уравнение позволяет утверждать, что использование тепла в смешанном цикле зависит от степени сжатия, предварительного расширения и повышения давления, а также показателя адиабаты.
В смешанном цикле повышение степени сжатия улучшает экономические и мощностные показатели. Однако по мере увеличения степени сжатия прирост использования теплоты постепенно замедляется и после значений степени сжатия 10–12 становится малоощутимым. В дизельных двигателях значении степени сжатия больше 15 объясняются желанием облегчить пуск холодных двигателей. При повышении степени сжатия растет температура конца сжатия, что обеспечивает самовоспламенение топлива даже при низких температурах стенок цилиндра и засасываемого воздуха.
2.2. Действительные циклы ДВС
Действительный (рабочий) цикл, осуществляемый в реальном двигателе внутреннего сгорания, представляет собой разомкнутый цикл. Для изучения действительного (рабочего) цикла нужно рассмотреть весь комплекс сложных процессов, связанных с превращением термохимической энергии топлива в механическую работу в реальном двигателе. Исходными для изучения действительного (рабочего) цикла являются материалы, полученные в основном путем лабораторных испытаний двигателей внутреннего сгорания.
2.2.1. Рабочие тела и их свойства
В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочее тело состоит из окислителя, топлива и продуктов его сгорания. Окислителем для большинства двигателей служит атмосферный воздух, содержащий 21 % (по объему) кислорода и 79 % инертных газов, в основном азота. При реализации цикла рабочее тело претерпевает физические и химические изменения. В зависимости от типа двигателя, в период впуска в цилиндр поступает либо воздух, либо горючая смесь, состоящая из газообразного или жидкого топлива и воздуха. Воздух или горючую смесь, поступающие в цилиндр и остающиеся в нем к моменту начала сжатия, называют свежим зарядом. В процессе сжатия в цилиндре находится смесь свежего заряда с остаточными газами, которая называется рабочей. В процессе расширения и выпуска рабочим телом являются продукты сгорания топлива.
При расчете рабочего цикла двигателя необходимо знать низшую теплоту сгорания топлива, которая зависит от композиционного состава топлива и количественного соотношения элементов, составляющих его горючую часть. Подвод теплоты к рабочему телу в действительном цикле осуществляется в результате сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя, что предъявляет определенные требования к физическим и химическим свойствам топлива, которые приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Характеристики жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания
|
Топливо |
Элементарный состав (средний) 1 кг топлива, кг |
Молекулярная масса, mT, Кг/кмоль |
Низшая теплота сгорания, hu, MДж/кг |
||
|
С |
Н |
0Т |
|||
|
Автомобильные бензины Дизельное |
0.855
0.870 |
0.145
0.126 |
–
0.004 |
110–120
180–200 |
44
42.5 |
Сгорание топлива в цилиндрах двигателя протекает согласно следующим реакциям:
; .
Количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива, можно подсчитать следующим образом:
Для топлива, имеющего состав по весу:
весовое количество кислорода, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, составит:
, или
или, исчисляя в кмоль,
.
При расчете состав сухого атмосферного воздуха принимают равным: в % по весу О – 23, N – 77, а в % по объему О – 21, N – 79.
Тогда теоретически необходимое количество сухого атмосферного воздуха для полного сгорания 1 кг жидкого топлива может быть определено по следующим формулам:
В весовом выражении
В молярном выражении
.
Связь между l0 и L0 имеет вид:
.
Сгорание топлива в двигателе обычно происходит при некотором недостатке или некотором избытке воздуха по сравнению с теоретически необходимым количеством.
Отношение количества воздуха L (l) в горючей смеси к количеству воздуха L0 (l0), которое необходимо для полного сгорания топлива, называется коэффициентом избытка воздуха:
При работе двигателя состав горючей смееи изменяется. Горючую смесь принято называть нормальной, если α = 1, бедной, если α > 1 и богатой, если α < 1.
Коэффициент избытка воздуха находится в следующих пределах: для карбюраторных двигателей α = 0.8–1.3, для дизельных – α = 1.2 – 5.
Количество свежего заряда, приходящегося на 1 кг топлива, составляет:
для карбюраторного двигателя
[кг воздуха / кг топл.]
или
[кмоль воздуха / кг топл.],
где тТ – молекулярная масса топлива.
Для дизельного двигателя
[кг воздуха / кг топл.]
или
[кмоль воздуха / кг топл.].
Молекулярная масса автомобильного бензина тТ =114. Поэтому величиной обычно пренебрегают.
В конце сжатия перед сгоранием цилиндр двигателя заполнен рабочей смесью, количество которой равно:
,
где Мr - количество кмолей остаточных газов.
Отношение количества остаточных газов к действительному количеству свежего заряда называется коэффициентом остаточных газов:
.
Подставив выражение в выражение для Ма, получим:
.
Процесс сгорания сопровождается тепловыми потерями. Часть тепла в процессе сгорания передается в охлаждающую среду через стенки цилиндра. Часть топлива проникает в картер через неплотности поршневых колец. Из-за недостатка времени и несовершенства смесеобразования часть топлива не успевает сгореть и догорает во время расширения. В то же время под влиянием высоких температур происходит расщепление молекул Н2О и CO2 продуктов сгорания, расщеплению сопутствует поглощение тепла.
Коэффициентом использования тепла называется часть теплотворной способности топлива, которая действительно используется для повышения энергии газов при сгорании:
,
где: hu – низшая теплотворная способность топлива;
Δ Q – потери тепла в процессе сгорания.
Коэффициент использования тепла всегда меньше единицы. Он тем выше, чем совершеннее смесеобразование, выше скорость распространения пламени, короче промежуток времени, затрачиваемый на сгорание.
Коэффициент использования тепла, в зависимости от режима работы двигателя, изменяется в карбюраторных двигателях в пределах 0.85–0.95, в дизельных от 0.7 до 0.9.
При полном сгорании жидкого топлива, когда α≥ 1, образуются следующие основные продукты сгорания: CO2 и Н2О – продукты полного сгорания углерода и водорода, содержащихся в топливе, N2 – азот воздуха и O2 – свободный кислород воздуха.
Суммарное количество продуктов сгорания 1 кг топлива равно:
.
Подставив в правую часть уравнения значения слагаемых:
получим:
В процессе сгорания происходит увеличение количества кмоль газов.
.
Это увеличение зависит от состава топлива и коэффициента избытка воздуха.
Для карбюраторных ДВС
Для дизельных ДВС
Отношение количества кмоль продуктов сгорания М2 к количеству кмоль смеси до сгорания М1 называется коэффициентом молекулярного изменения.
В зависимости от того, учитывается ли при вычислении коэффициента молекулярного изменения количество остаточных газов или нет, различают коэффициент молекулярного изменения горючей смеси
и коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.
или .
Следовательно, у карбюраторных и дизельных двигателей коэффициент молекулярного изменения всегда больше единицы.
Увеличение количества кмолей газов при сгорании, оцениваемое коэффициентом молекулярного изменения, вызывает увеличение полезной работы при расширении продуктов сгорания в цилиндре, что повышает мощность двигателя. Следовательно, чем выше коэффициент молекулярного изменения, тем больше мощность, развиваемая двигателем.
Средняя мольная изохорная теплоемкость заряда в конце сжатия для карбюраторных и дизельных двигателях может быть определена по следующей формуле:
кДж/кмоль ·К.
Средняя молекулярная теплоемкость продуктов сгорания определяется по формуле (кДж/кмоль К):
процесс сгорания при V = const
;
процесс сгорания при p = const
.
2.2.2. Процесс впуска
Давление и температура остаточных газов в начале впуска зависит главным образом от проходного сечения и коэффициента сопротивления выпускной системы, а также от числа оборотов двигателя. С увеличением числа оборотов давление остаточных газов возрастает. Это объясняется тем, что с увеличением оборотов продолжительность процесса выпуска сокращается, а скорость газов в выпускной системе увеличивается. С увеличением сопротивления выпускной системы давление остаточных газов возрастает, наполнение цилиндров ухудшается и мощность двигателя понижается.
Давление остаточных газов в начале впуска для двигателя без глушителя составляет по опытным данным:
,
где Р0 — давление окружающей среды.
Меньшие значения здесь относятся к малым и средним оборотам, большие – к оборотам двигателя, соответствующим максимальной мощности.
При установке глушителя давление остаточных газов возрастает.
Температура остаточных газов в начале впуска зависит главным образом от состава смеси и числа оборотов двигателя. С увеличением числа оборотов температура остаточных газов возрастает. Происходит это в основном вследствие ухудшения охлаждения продуктов сгорания из-за сокращения продолжительности цикла. По опытным данным, температура остаточных газов Tr в начале впуска при оборотах двигателя, соответствующих максимальной мощности, находится в следующих пределах: у карбюраторных двигателей 900–1200 К, у дизельных двигателей 600–800 К.
Действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя за период впуска, значительно меньше теоретически возможного количества, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра.
Качество газообмена оценивается не абсолютным, а относительным количеством свежего заряда, поступившего в цилиндр при впуске.
Отношение количества свежего заряда, поступившего в цилиндр за один цикл, к количеству, который имел бы заряд, заполняющий рабочий объем цилиндра при давлении и температуре на входе в систему впуска (Ро, То), называется коэффициентом наполнения.
.
У карбюраторных двигателей количество топлива, содержащегося в заряде, по сравнению с количеством воздуха сравнительно невелико. Поэтому коэффициент наполнения часто определяют по отношению количеств воздуха. Ошибка при этом не превышает 1–2%.
У карбюраторных и дизельных двигателей, работающих без наддува, параметры свежего заряда при поступлении его в систему впуска совпадают с параметрами окружающей среды (при расчетах двигателей без наддува принимают Ро = 0.101 МПа; Т0 =273 +15 = 288 К).
Количество газов, заполняющих цилиндр двигателя в конце впуска, составляет:
.
Характеристические уравнения для Ma, M0, Mr имеют следующий вид:
; ; ,
где: Рa , Тa – давление и температура газов в конце впуска;
Ra, R0, Rr – соответствующие газовые постоянные.
После подстановки характеристических уравнений в уравнение для Ma получим
.
Если допустить равенство газовых постоянных Ra, R0, Rr и разделить обе части полученного выражения на Vc, можно написать
.
Учитывая, что
,
после соответствующих преобразований получим:
.
Коэффициент наполнения зависит главным образом от давления и температуры газов в конце впуска, числа оборотов и нагрузки двигателя (рис. 2.4).
С понижением давления и повышением температуры заряда коэффициент наполнения резко уменьшается. С увеличением числа оборотов двигателя коэффициент наполнения из-за сокращения продолжительности впуска понижается.
Коэффициент наполнения дизельных двигателей выше, чем карбюраторных, т. к. впускная система у первых конструктивно более проста, а подогрев свежего заряда менее интенсивен.
Коэффициент наполнения карбюраторных двигателей при работе с полной нагрузкой находится в зависимости от числа оборотов в пределах 0.65–0.85, дизельных двигателей 0.7–0.9.
При работе двигателя с наддувом коэффициент наполнения значительно повышается.
Рис. 2.4. Зависимость коэффициента наполнения от числа оборотов
Степень загрязненности свежего заряда остаточными газами горючей смеси характеризует коэффициентом остаточных газов, который равен:
.
Произведя соответствующие преобразования, получим:
.
Из данного выражения следует, что коэффициент остаточных газов уменьшается при повышении степени сжатия, повышении коэффициента наполнения, увеличении температуры и понижении давления остаточных газов.
На коэффициент остаточных газов оказывают влияние число оборотов и нагрузка двигателя. С увеличением числа оборотов и уменьшением нагрузки коэффициент остаточных газов возрастает.
Коэффициент остаточных газов при полной нагрузке двигателя колеблется в пределах: для карбюраторных двигателей от 0.06 до 0.18, для дизельных – от 0.02 до 0.06.
Температура свежего заряда на входе в цилиндр зависит от температуры окружающей среды Т0 и приращения температуры Δ вследствие подогрева заряда от соприкосновения с горячими стенками впускного тракта (впускной коллектор и клапанные каналы).
Температура свежего заряда различных двигателей неодинакова. Для улучшения испаряемости топлива у карбюраторных двигателей применяется подогрев горючей смеси. Приращение температуры заряда Δ характеризуется следующими данными:
Давление и температура газов в конце впуска Тa, когда цилиндр двигателя заполнен газами, представляющими смесь свежезасосанного заряда и остаточных газов, могут быть определены при решении уравнения теплового баланса:
.
Поставив в уравнение теплового баланса выражения для его составляющих, получим:
.
Поделим каждое слагаемое на M1 и, считая, что , получаем:
.
С изменением условий окружающей среды, интенсивности подогрева, сопротивления впускного и выпускного трактов температура газов в конце впуска заметно изменяется. Значительно изменяется она также в зависимости от нагрузки и числа оборотов двигателя.
При изменении числа оборотов температура в конце впуска находится в следующих пределах: в карбюраторных двигателях 340–400 К, в дизельных 310–360 К.
Давление газов в конце впуска Pa определяется опытным путем и составляет.
.
Большие из значений давления газов в конце впуска следует принимать для дизелей, а меньшие - для карбюраторных двигателей.
Кроме того, давление газов в конце впуска Pa можно определить при известном коэффициенте наполнения ηυ по формуле:
.
2.2.3. Процесс сжатия
Процесс сжатия происходит при закрытых впускном и выпускном клапанах и служит для увеличения температурного перепада цикла и степени расширения продуктов сгорания топлива. Это создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания рабочей смеси и обеспечивает эффективное преобразование теплоты в механическую работу.
В теоретическом цикле предполагается, что линия сжатия представляет собой адиабату с переменным показателем. В действительном цикле процесс сжатия протекает сложнее. Он характерен непрерывным изменением температуры заряда и наличием теплообмена между газами и стенками цилиндра, т. е. является политропным.
В начале сжатия, до момента, пока не сравняется температура газов и стенок цилиндра, газы нагреваются. При этом показатель политропы сжатия повышается. В последующий период за счет более высокой температуры газов происходит переход тепла от газов к стенкам цилиндра. Это вызывает понижение показателя политропы сжатия.
Таким образом, за период сжатия между газами и стенками цилиндра происходит теплообмен, различный не только по величине, но и по знаку.
При расчетах, с некоторым приближением, принято считать показатель политропы сжатия постоянным и равным среднему показателю п1.
Величина показателя политропы сжатия зависит от частоты вращения коленчатого вала, степени сжатия, интенсивности охлаждения цилиндров, нагрузки на двигатель, степени износа цилиндропоршневой группы двигателя. С повышением частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия показатель поли-тропы сжатия п1 увеличивается. При интенсивном охлаждении цилиндров, увеличении зазоров между поршневыми кольцами и цилиндрами вследствие их износа валичина п1 уменьшается.
Данные, полученные при испытаниях двигателей, показывают, что средний показатель п1, в зависимости от числа оборотов, изменяется в следующих пределах: у карбюраторных двигателей 1.30–1.40; у дизельных 1.20–1.35.
При расчете карбюраторных двигателей для определения политропического показателя обычно используют формулу, предложенную профессором В. А. Петровым:
,
где n - частота вращения двигателя [об./мин].
Давление в конце процесса сжатия равно:
.
Температура в конце процесса сжатия составляет:
.
В карбюраторных двигателях температура газов в конце сжатия находится в пределах 500–700 К, в дизельных двигателях 750–950 К. В карбюраторных двигателях температура газов в конце сжатия во избежание детонационного сгорания не должна превышать температуру самовоспламенения топлива.
В дизельных двигателях для улучшения процесса сгорания температура газов в конце сжатия должна на 300–400 °С превышать температуру самовоспламенения впрыскиваемого топлива.
2.2.4. Процесс сгорания
Развитие реакций окисления в цилиндре двигателя с требуемой скоростью обеспечивается гомогенной (равномерной) смесью топлива с воздухом. Ввиду различий свойств топлива, способов смесеобразования и воспламенения рабочей смеси, рассмотрим отдельно процессы сгорания топлива в цилиндрах карбюраторных и дизельных двигателей. Процесс сгорания топлива удобнее анализировать по индикаторной диаграмме в координатах р-α°, на которой изображается зависимость давления газа внутри цилиндра от угла поворота коленчатого вала. Такая диаграмма называется развернутой.
Процесс сгорания топлива в карбюраторном двигателе.
На рис. 2.5 представлена часть развернутой индикаторной диаграммы, где показаны фаза процесса сгорания в карбюраторных двигателях.
Рис. 2.5. Процесс сгорания карбюраторного ДВС
Зажигание производится в конце такта сжатия с опережением, равным углу φ. Моменту зажигания соответствует точка а. Видимое повышение давления начинается в точке б. Точкой вотмечено максимальное давление.
Период от точки а до точки б называется первым периодом сгорания, периодом образования очага горения, или периодом задержки воспламенения. Продолжительность его изменяется в зависимости от свойств топлива, состава смеси, степени сжатия, числа оборотов, вихревого состояния смеси и интенсивности искрового разряда, а также ряда других факторов. Чем меньше первый период сгорания, тем медленнее нарастает давление во второй период, тем “мягче” и с меньшим износом работает двигатель.
Период от точки б до точки в называется вторым периодом сгорания, периодом распространения пламени, или периодом видимого сгорания. Этот период характеризуется значительным повышением давления и обычно заканчивается на 12–18° после ВМТ. После прохождения поршнем точки в, соответствующей максимальному давлению сгорания, начинается процесс расширения. При этом давление падает, а газы расширяются. Часть смеси, не успевшая сгореть своевременно, догорает в процессе расширения.
Продолжительность сгорания характеризуется скоростью сгорания и скоростью распространения пламени.
Скорость сгорания характеризует интенсивность протекания реакций сгорания и оценивается количеством тепла, выделяющимся в единицу времени. Скорость сгорания может быть определена по индикаторной диаграмме как продолжительность всего процесса сгорания от момента зажигания до момента образования конечных продуктов, т. е. практически до момента, соответствующего максимальному давлению сгорания.
Скорость распространения пламени характеризует быстроту перемещения по камере сгорания фронта пламени от места его возникновения (фронтом пламени называется зона реакции сгорания, отделяющая свежую смесь от продуктов сгорания).
Скорость сгорания пропорциональна скорости распространения пламени. Последняя изменяется в значительных пределах (от 25 до 40 м/сек) и зависит от конструкции двигателя (формы камеры сгорания, степени сжатия, расположения свечи) и его эксплуатационных особенностей (свойств топлива, состава смеси, числа оборотов, нагрузки).
Скорость нарастания давления зависит от интенсивности сгорания, т. е. от количества тепла, выделяющегося в единицу времени. В первый период сгорания количество теплоты, выделяющееся в единицу времени, незначительно. Поэтому линия, характеризующая первый период сгорания на индикаторной диаграмме, не отличается от линии сжатия при выключенном зажигании. Второй период сгорания характерен значительным повышением давления. Скорость нарастания давления в этот период характеризуется отношением dP/dα, оценивающим приращение давления в период сгорания на 1° угла поворота коленчатого вала. Это отношение называется также показателем жесткости работы двигателя.
Установлено, что скорость нарастания давления у карбюраторных двигателей не должна превышать 0.25 МПа на 1° поворота вала. С увеличением скорости нарастания давления динамические нагрузки на кривошипно-шатунный механизм значительно возрастают и возникают явления вибрации двигателя. При этом увеличивается износ сопряженных узлов, и долговечность двигателя резко сокращается.
Время, отводимое для сгорания в цилиндрах двигателя, определяется всего несколькими тысячными долями секунды. При этом максимальная мощность двигателя достигается только в том случае, если воспламенение смеси происходит в конце такта сжатия, несколько раньше того момента, когда поршень придет в ВМТ.
Углом опережения зажигания называется угол поворота коленчатого вала от момента зажигания до ВМТ, измеряемый в градусах.
Если угол опережения зажигания выбран правильно, к моменту, когда поршень придет в ВМТ, процесс сгорания смеси будет развиваться благоприятно. При этом сгорание смеси заканчивается на 12–18° после ВМТ, а мощность, развиваемая двигателем, достигает максимального значения. Наивыгоднейший момент зажигания должен соответствовать максимальной мощности для каждого режима работы двигателя. Подбор наивыгоднейшего момента зажигания производится опытным путем.
При определенных условиях нормальный процесс сгорания в карбюраторных двигателях может быть нарушен явлениями детонации. Детонационное сгорание возникает после зажигания смеси и характерно высокими скоростями распространения пламени и значительным повышением температуры и давления газов. Если при нормальном сгорании скорость распространения пламени составляет 25–40 м/сек, то при детонации она достигает 2000 м/сек. Давление газов при детонационном сгорании повышается до 15–20 МПа, что значительно превышает давление, соответствующее нормальному сгоранию (2.5–5.0 МПа). Индикаторная диаграмма, снятая при работе двигателя с детонацией, показана на рис. 2.6
Рис. 2.6. Процесс сгорания с детонацией
Детонационное сгорание сопровождается падением мощности и ухудшением экономичности двигателя. При таком сгорании нарушается жидкостное трение в подшипниках и деформируется антифрикционный материал. Работа двигателя при детонационном сгорании недопустима, так как детонация вызывает не только ускоренный износ, но и разрушение узлов кривошипно-шатунного механизма. Основными признаками детонации являются: неустойчивая работа и перегрев двигателя, возникновение в цилиндрах резких металлических стуков, появление черного дыма в отработавших газах.
Детонационное сгорание возникает при несоответствии между степенью сжатия двигателя и детонационной стойкостью применяемого топлива. Кроме свойств топлива, на возникновение детонации оказывают влияние конструктивные особенности двигателя – размер цилиндра, форма камеры сгорания, расположение свечи и др., а также ряд эксплуатационных факторов – состав смеси, число оборотов, положение дросселя, угол опережения зажигания и др.
Появление детонации зависит от состава смеси. Опытные данные показывают, что наибольшая склонность к детонации наблюдается при коэффициенте избытка воздуха равном 0.8–0.9, когда скорость распространения пламени наибольшая.
С увеличением числа оборотов и по мере прикрытия дросселя (уменьшения нагрузки) склонность к детонации понижается, так как при этом увеличивается количество остаточных газов. Наибольшая склонность к детонации наблюдается при полной нагрузке.
Переход к более раннему (по сравнению с наивыгоднейшим) моменту зажигания вызывает повышение температуры и давления в цилиндре и способствует возникновению детонации.
Значительно ускоряет возникновение детонации отложение нагара на стенках камеры сгорания, клапанах и поршне, так как температурный режим двигателя при этом возрастает.
Детонация во время эксплуатации двигателей может быть устранена прикрытием дросселя, изменением состава смеси, уменьшением угла опережения зажигания или переходом на более высокие обороты.
Кроме явления детонационного горения в процессе работы двигателя могут возникнуть преждевременные вспышки, которые возникают вследствие самовоспламенения смеси в процессе сжатия, происходящего до момента зажигания. Преждевременные вспышки возникают в тех случаях, когда температура сжатой смеси достигает температуры самовоспламенения топлива. Появлению преждевременных вспышек способствует перегрев двигателя, нагарообразование, а также детонационное сгорание. Работа двигателя с преждевременными вспышками сопровождается падением мощности, перегревом и характерна значительной неравномерностью.
Для определения температуры газов в карбюраторном двигателе составим уравнение теплового баланса
,
где QC - теплота газов в конце процесса сжатия;
Qhu- теплота, выделившаяся из топлива в процессе сгорания;
QZ - теплота газов в конце процесса сгорания.
Выразим составляющие уравнения:
и подставив их в уравнение теплового баланса, получим:
.
Разделив полученное уравнение на Ma, имеем следующий вид уравнения:
.
После преобразований получаем уравнение сгорания для карбюраторных двигателей:
при полном сгорании 1
;
при неполном сгорании < 1
,
где Δhu – потери теплоты из-за неполного сгорания топлива.
.
Решая уравнение сгорания, определяем TZ.
Для определения давления в конце процесса сгорания карбюраторного двигателя выразим количество газов в цилиндре двигателя до и после сгорания:
Определим коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:
,
и из полученного выражения выразим степень повышения давления:
.
Тогда давление в конце процесса сгорания для карбюраторного ДВС можно определить по формуле:
.
Процесс сгорания топлива в дизельном двигателе.
Развернутая индикаторная диаграмма дизельного двигателя показана на рис. 2.7.
Рис. 2.7. Процесс сгорания в дизельном ДВС
Впрыск топлива производится с опережением, равным углу φ, который составляет 10–20° до прихода поршня в ВМТ. Моменту начала впрыска соответствует точка а. Резкое повышение давления начинается в точке б, соответствующей началу самовоспламенения топлива. В точке в характер нарастания давления изменяется. Точкой г отмечен момент конца впрыска. Следовательно, впрыск топлива производится в период, соответствующий повороту вала от точки а до точки г. Максимальному давлению сгорания соответствует точка д.Весь период сгорания принято разделять на три фазы. Первая фаза – период сгорания от точки а до точки б – называется периодом образования зон сгорания, или периодом задержки воспламенения. В этот период температура топлива, впрыскиваемого под давлением в среду сжатого (3.5–4.5 Мпа) и нагретого воздуха (600–700 °С), повышается и достигает температуры самовоспламенения (200–300 °С).
Продолжительность первой фазы сгорания составляет от 0.002 до 0.006 с или от 10 до 30° поворота коленчатого вала и зависит главным образом от физико-химических свойств топлива (и в значительной мере от его цетанового числа), степени сжатия двигателя, интенсивности распыливания топлива и вихревого движения в камере сгорания.
Вторая фаза – период сгорания от точки б до точки в – называется периодом распространения пламени по объему сгорания, или периодом быстрого сгорания. В этот период давление стремительно возрастает. Скорость нарастания давления в этот период оценивается показателем жесткости dP/dα. Продолжительность второй фазы сгорания зависит главным образом от продолжительности первой фазы, скорости подачи топлива, однородности и вихревого движения смеси.
Третья фаза – период сгорания от точки в до точки д – называется третьим периодом сгорания, или периодом медленного сгорания. Этот период характерен незначительным повышением давления. Продолжительность третьей фазы сгорания зависит главным образом от скорости движения частиц топлива и воздуха. Увеличение скорости достигается высокими давлениями и рациональным направлением струи впрыскиваемого топлива.
Период сгорания от точки б до точки д называют периодом видимого сгорания. После точки д начинается процесс расширения, при котором давление падает. Часть топлива догорает в процессе расширения.
У дизельных двигателей скорость нарастания давления должна быть не более 0.4–0.6 МПа на 1 градус поворота коленчатого вала. Работа при большей скорости нарастания давления сопровождается стуками. Испытаниями дизельных двигателей установлено, что стуки возникают вследствие повышенной скорости нарастания давления в начале второй фазы. Чем больше период задержки воспламенения, тем больше топлива поступает в цилиндр, тем выше скорость нарастания давления и выше максимальное давление цикла. Плавная работа двигателя и понижение максимального давления цикла достигаются сокращением периода задержки воспламенения. На сокращение периода задержки воспламенения в значительной мере оказывают влияние следующие причины:
На индикаторной диаграмме (рис. 2.7) нанесены кривые, характеризующие подачу топлива х = f(a) и сгорание топлива у = f(a). Как видно из диаграммы и кривых, для данного двигателя угол опережения впрыска составляет ~ 10°, продолжительность впрыска равна 17°, т. е. впрыск заканчивается позже ВМТ. Около 50% топлива впрыскивается до ВМТ; период задержки воспламенения равен ~ 7°. До ВМТ сгорает сравнительно небольшая часть топлива – около 7%, к моменту, соответствующему концу впрыска, сгорает около 40% топлива; догорание топлива происходит в процессе расширения.
Сгорание в дизельном двигателе происходит при переменном давлении и изменяющемся объеме газов. Для облегчения расчетов обычно предполагается, что процесс сгорания протекает при V = const и P = const. При этом для определения температуры в конце процесса сгорания уравнение сгорания может быть выведено из баланса внесенной и использованной теплоты:
,
где Qc – теплота, содержащаяся в газах до сгорания;
Qhu– теплота, сообщаемая газам при сгорании топлива;
Qz' – теплота, содержащаяся в газах после сгорания;
Qр – теплота, эквивалентная работе расширения газов, совершаемой за период сгорания при р = const.
Выразим составляющие уравнения
и, подставив в уравнение теплового баланса, получим
Разделив полученное уравнение на Ma, имеем следующий вид уравнения:
.
После преобразований получаем уравнение сгорания для дизельных двигателей:
.
Для решения этого уравнения и определения TZ необходимо задаться степенью повышения давления λ, зависящей от количества топлива, сгорающего при изохорическом и изобарическом процессах. Выличина степени повышения давления составляет у двигателей с раздельными камерами сгорания 1.1–1.4, у двигателей с нераздельными камерами 1.4–2.2.
Давления в конце процесса сгорания дизельного двигателя можно определить по формуле:
.
Для определения степени предварительного расширения продуктов сгорания дизельного двигателя выразим количество газов в цилиндре двигателя до и после сгорания:
Определим коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:
и из полученного выражения выразим степень предварительного расширения продуктов сгорания:
На основании опытных данных установлено, что температура в конце процесса сгорания изменяется в следующих пределах: для карбюраторных двигателей – от 2400 до 2800 К, для дизельных двигателей с нераздельными камерами сгорания – от 1800 до 2200 К , для дизельных двигателей с раздельными камерами сгорания – от 1700 до 2100 К; давление газов для карбюраторных двигателей от 4.0 до 6.0 МПа, для дизельных двигателей с нераздельными камерами сгорания от 6.5 до 12 МПа, для дизельных двигателей с раздельными камерами сгорания от 5.5 до 7.5 МПа.
2.2.5. Процесс расширения
Процесс расширения протекает с переменным теплообменом по еще более сложному закону, чем процесс сжатия, так как кроме охлаждения расширяющихся газов добавляются явления догорания топлива и восстановления продуктов диссоциации. В начале политропного процесса расширения подвод теплоты к газу вследствие догорания топлива превалирует над отводом ее в стенки камеры сгорания, и этот участок процесса расширения приближается к изотермическому (показатель политропы расширения близок по значению к единице). В дальнейшем, по мере снижения интенсивности догорания топлива, наступает момент, когда процесс расширения становится адиабатным и показатель политропы будет равен показателю адиабаты, определенному по средней температуре процесса. Конечная фаза процесса расширения сопровождается интенсивным отводом теплоты от рабочего тела, и показатель политропы становится больше показателя адиабаты. При определении параметров рабочего тела и работы расширения пользуются некоторым постоянным по значению показателем, равным среднему значению. Средний показатель политропы расширения n2 оценивают с учетом опытных данных: для дизельных двигателей n2 = 1.15 – 1.3; для карбюраторных двигателей n2 = 1.22 – 1.28. При расчете карбюраторных двигателей для определения показателя политропы расширения используют формулу, предложенную В. А. Петровым:
,
где n - частота вращения, об./мин.
Давление в конце процесса расширения может быть определено на основании известных термодинамических соотношений для политропического процесса
,
откуда
.
Для карбюраторных двигателей, в которых все тепло сообщается при V = const, а следовательно,
, ,
;
для дизельного двигателя:
, ,
.
Величина называется степенью последующего расширения, тогда
.
В карбюраторных двигателях при полностью открытой дроссельной заслонке давление в конце процесса расширения близко к 0.4 МПа. По мере дросселирования это давление понижается прямо пропорционально давлению всасывания и на холостом ходу двигателя составляет примерно 0.15 МПа. В дизелях давление конца расширения также близко к 0.4 МПа и при уменьшении нагрузки понижается незначительно.
Для определения температуры конца расширения можно использовать соотношение
,
откуда
.
Тогда для карбюраторных двигателей:
;
для дизелей:
.
Температура в конце процесса расширения перед открытием выпускного клапана для карбюраторных двигателей примерно равна 1200–1500 К. По мере дросселирования температуры несколько понижаются вследствие уменьшения количества тепла, выделяющегося при горении топлива.
В двигателях с высокими степенями сжатия температуры и давления в конце процесса расширения понижаются, так как сгоревшие газы сильнее расширяются.
В дизелях степени сжатия выше, чем в карбюраторных двигателях, а потому температура в конце процесса расширения на 200–300° ниже. Особенно резко понижается температура конца расширения дизелей при уменьшении нагрузки, что объясняется уменьшением количества впрыскиваемого топлива.
2.2.6. Процесс выпуска
Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно НМТ на угол 40 ... 75° и закрывается после ВМТ с запаздыванием на угол 10 ... 40°. Процесс выпуска в четырехтактных двигателях условно можно разделить на три периода:
1. Свободный выпуск.
В начале открытия выпускного клапана давление в цилиндре составляет 0.4 ... 0.6 МПа, а давление в выпускном трубопроводе 0.105 ... 0.12 МПа. Под действием этого перепада давлений происходит истечение газов из цилиндра с начальной скоростью 500 ... 700 м/с. Продолжительность первого периода соответствует примерно углу опережения открытия выпускного клапана. При свободном выпуске за относительно малое время из цилиндра удаляется 50 ... 65% отработавших газов.
2. Принудительный выпуск.
Считается, что принудительный выпуск продолжается во время движения поршня от НМТ к ВМТ. Истечение газа из цилиндра в этот период происходит главным образом вследствие изменения объема цилиндра в соответствии с законом движения поршня. Скорость истечения газа и перепад давления в выпускном клапане определяются скоростью перемещения поршня, отношением площади поперечного сечения клапанной щели к площади поршня, характером нестационарного потока газа в выпускном трубопроводе. Температура и давление газа в цилиндре в период принудительного выпуска изменяются незначительно.
3. Продувка.
Продувка осуществляется в период перекрытия клапанов, когда в зависимости от соотношения давления газа в цилиндре, во впускном и выпускном трубопроводах движение отработанных газов может быть в разных направлениях. Качественная очистка цилиндров от отработавших газов обеспечивается в двигателях с настроенной системой газообмена.
2.3. Индикаторные и эффективные показатели двигателя
2.3.1. Индикаторные показатели рабочего цикла
Индикаторные показатели характеризуют эффективность действительного рабочего цикла. К индикаторным показателям относятся среднее индикаторное давление Pi, индикаторная мощность Ni, индикаторный КПД ηi и индикаторный удельный расход топлива gi.
Средним индикаторным давлением называют такое условное, постоянное по величине давление Pi, которое, действуя на поршень, совершает работу за один его ход от ВМТ до НМТ, равную полезной работе газов за рабочий цикл (рис. 2.8). Работа газов равна площади заключенной внутри индикаторной диаграммы. Полезная работа газов за один цикл определяется разностью площадей F1 и F2.
Рис. 2.8. Индикаторная диаграмма и среднее индикаторное давление
Расчетная работа газов в цикле дизеля, без учета работы насосных ходов, равна сумме работ изобарного процесса предварительного расширения и политропного процесса расширения, исключая работу политропного процесса сжатия:
.
Выразив составляющие:
и подставив в них выведенные ранее формулы:
получим выражение:
.
Как видно из рис. 2.8, расчетную работу за цикл можно выразить следующим образом через расчетное среднее индикаторное давление Ppi:
.
Приравняв два выражения расчетной работы газов за цикл и подставив известные соотношения:
; ,
получим выражение для расчетного среднего индикаторного давления для дизельного двигателя:
или
.
Для карбюраторных ДВС, где , , расчетное среднее индикаторное давление определяется следующей формулой:
,
, д = 0,92…0,97.
Индикаторная мощность– это мощность, развиваемая газами в цилиндре двигателя.
где τ – число тактов рабочего цикла.
В реальном цикле помимо теоретически неизбежных тепловых потерь (отвод теплоты холодному источнику) часть теплоты теряется вследствие неполного сгорания топлива, отвода тепла в окружающую среду и с отработанными газами. Степень использования теплоты в реальном цикле оценивается индикаторным КПД – это отношение индикаторной работы, к расчетной теплоте сгорания топлива.
где G – количество топлива сгоревшего в цикле.
Связь между индикаторным КПД и средним индикаторным давлением выражается формулой:
,
где ρо – плотность воздуха.
Показателем, который характеризует экономичность действительного цикла, является удельный индикаторный расход топлива, равный отношению часового расхода топлива GТ к индикаторной мощности
.
Связь между удельным индикаторным расходом топлива и индикаторным КПД выражается формулой:
.
2.3.2. Эффективные показатели рабочего цикла
Часть индикаторной мощности двигателя затрачивается на преодоление трения в сопряженных узлах двигателя и на привод вспомогательных механизмов. Поэтому мощность, развиваемая на валу двигателя и отдаваемая силовой передаче машины, всегда меньше индикаторной. Эта мощность называется эффективной мощностью двигателя:
,
где Ne – эффективная мощность в кВт;
NM – мощность, затрачиваемая на преодоление трения в сопряженных узлах двигателя и на привод вспомогательных механизмов.
Средним эффективным давлением Pe называют условно постоянное давление, при котором работа газов, произведенная в цилиндрах двигателя за один ход поршня, равна эффективной работе за цикл.
Если составляющие потерь выразить через среднее давление трения, равное работе трения, отнесенной к 1м3 рабочего объема цилиндра, то
,
где Pe – среднее эффективное давление МПа;
PM – среднее давление трения, МПа.
Между средним давлением трения и числом оборотов двигателя, на основании опытных данных, установлены следующие соотношения:
для карбюраторных ДВС
где n – частота вращения двигателя, об./мин;
для дизельных ДВС
Эффективная мощность и среднее эффективное давление связаны между собой следующей зависимостью:
.
Отношение эффективной мощности к индикаторной мощности называется механическим КПД двигателя.
.
Заменив Ne и Pe, получим:
;
.
Механический КПД оценивает затраты на преодоление трения в сопряженных узлах двигателя и на привод вспомогательных механизмов. К этим затратам относятся потери на трение: поршня о стенки цилиндра, в подшипниках коленчатого и кулачкового валов, деталей распределения, а также потери на привод вентилятора, масляного и водяного насосов, генератора, магнето, прерывателя-распределителя, компрессора, нагнетателя и т. д.
Механический КПД зависит от конструктивных параметров двигателя, материала и качества обработки деталей, качества масла и смазочной системы, температурного режима, числа оборотов и нагрузки двигателя, числа и конструкции вспомогательных механизмов и ряда других факторов.
Механический КПД тем выше, чем меньше давления, передаваемые через сопряженные узлы, совершеннее система смазки и выше качество масла, лучше материалы и качество обработки деталей, меньше затрат на привод вспомогательных механизмов.
С увеличением числа оборотов и понижением нагрузки механический КПД уменьшается.
Эффективный КПД является показателем, характеризующим экономичность двигателя. Эффективным КПД называется отношение эффективной работы, выраженной в единицах теплоты, к расчетной теплоте сгорания топлива, затраченного на получение этой работы.
.
Если учесть, что
,
получим:
или
.
Если индикаторный КПД учитывает только тепловые потери, то эффективный КПД учитывает и тепловые и механические потери. Для повышения эффективного КПД необходимо повышать как индикаторный, так и механический КПД. Повышение индикаторного КПД может быть достигнуто совершенствованием рабочего цикла двигателя, а улучшение механического КПД – понижением механических потерь.
Эффективный КПД для одного и того же двигателя не остается постоянной величиной. Он изменяется в зависимости от режима работы, состава смеси, технического состояния двигателя и других факторов.
Эффективный КПД при полной нагрузке находится в следующих пределах:
карбюраторные двигатели ......... 0.22–0.28;
дизельные двигатели ..........…… 0.26–0.38.
Удельный эффективный расход топлива ge является вторым показателем экономичности работы двигателя. Он определяется по формуле:
.
Связь между обоими показателями экономичности работы двигателей ηe и ge устанавливается формулой:
или
.
Из этих выражений следует, что удельный расход топлива тем меньше, чем выше эффективный КПД и теплотворная способность топлива.
Связь между ηi, gi и ge можно определить, используя выражение
.
Тогда
или
Удельный расход топлива в карбюраторных двигателях находится в пределах 280–330 г/кВт · ч, в дизельных двигателях 210–260 г/кВт · ч.
Часовой расход топлива можно определить по формуле:
.
2.4. Особенности рабочего цикла и теплового расчета двухтактных двигателей
Двухтактные двигатели обладают по сравнению с четырехтактными следующими преимуществами:
Основные недостатки двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными заключаются в следующем:
Указанные недостатки в значительной мере уменьшаются у двухтактных дизельных двигателей с прямоточно-клапанной продувкой при помощи нагнетателя. Это объясняется тем, что по сравнению с кривошипно-камерной продувкой при прямоточно-клапанной продувке происходит в основном замещение отработавших газов свежим зарядом (продувочный воздух), при этом перемешивание отработавших газов и воздуха незначительно и достигается хорошая очистка цилиндров от продуктов сгорания. Потери топлива в процессе прямоточно-клапанной продувки практически исключаются, экономичность двигателя значительно возрастает, днище поршня и выпускные клапаны в конце продувки охлаждаются воздухом, что снижает их температуру.
Однако двухтактные дизельные двигатели с прямоточно-клапанной продувкой при помощи нагнетателя довольно сложны по конструкции и недостаточно долговечны.
Двигатель с бесклапанной продувкой (в том числе с петлевой) прост по конструкции, так как не имеет клапанного механизма. Нагнетатель двигателя работает при невысоком давлении продувочного воздуха и поэтому не требует значительных затрат мощности на привод. Его экономичность находится в близком соответствии с экономичностью современных четырехтактных дизелей, но среднее эффективное давление меньше (до 0.5 МПа), а габариты и вес значительно больше.
Основные особенности рабочего цикла двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными заключаются в следующем:
1. Рабочий цикл у них осуществляется за один оборот коленчатого вала, т. е. за два хода поршня.
2. Часть хода поршня используется для перезарядки цилиндра. Этот процесс осуществляется в конце такта расширения (выпуск продуктов сгорания) и начале такта сжатия (впуск свежего воздуха).
3. Время, отводимое на впуск свежего заряда и выпуск продуктов сгорания, крайне ограничено.
4. Процесс удаления продуктов сгорания из цилиндра двигателя (продувка) производится путем замещения их свежим зарядом – горючей смесью у карбюраторных двигателей и воздухом у дизельных двигателей.
5. Индикаторная диаграмма отличается иной конфигурацией части линии расширения и части линии сжатия, характеризующих процесс перезарядки (см. рис. 1.12, 1.13).
Все величины теплового расчета двухтактных двигателей, за исключением параметров процессов выпуска и продувки, определяются так же, как и у четырехтактных дизельных двигателей.
Порядок расчета следующий.
Для расчета принимаются:
Коэффициент остаточных газов у карбюраторных двигателей с кривошипной камерной продувкой составляет от 0.25 до 0.35. У дизельных двигателей с прямоточной продувкой при помощи нагнетателя – от 0.02 до 0.10.
Коэффициент наполнения у карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой равен 0.5–0.7, а у дизельных двигателей с прямоточной продувкой при помощи нагнетателя – 0.8–0.85.
Коэффициент избытка воздуха принимается: для двигателя без наддува 1.2–1.7, с наддувом 1.7–2.2.
Коэффициент неполноты диаграммы составляет 0.98–1. Среднее индикаторное давление у карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой не превышает 0.45–0.5 МПа. У дизельных двигателей с прямоточной продувкой при помощи нагнетателя – 0.65–0.8 МПа.
Механический КПД двигателя без наддува 0.7–0.8; с наддувом (без учета затраты мощности на привод нагнетателя) 0.75–0.85; с наддувом с учетом мощности, затрачиваемой на привод нагнетателя, 0.65–0.75.
Все другие величины определяются, по формулам, применяемым для четырехтактных двигателей.
Удельный эффективный расход топлива составляет: для карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой 260–370 г/кВт · ч; для дизельных двигателей с прямоточной продувкой при помощи нагнетателя 130–170 г/кВт · ч.
3. ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
3.1. Тепловой баланс двигателей
Тепловой баланс двигателя дает представление о распределении теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Тепловой баланс может быть составлен на основании данных испытаний двигателя или со значительными допущениями подсчитан аналитическим методом.
Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:
,
где: Q – количество теплоты, заключенное в сгоревшем топливе;
QЕ – количество теплоты, эквивалентное эффективной работе двигателя;
QВ – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое системой охлаждения и смазки;
QГ – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое с отработавшими газами;
QН – часть полных тепловых потерь, обусловленная неполным или несовершенным сгоранием топлива в цилиндре двигателя;
QОСТ – остаточный член теплового баланса, учитывающий количество теплоты, теряемое вследствие теплового излучения в окружающую среду, количество теплоты, соответствующее неиспользованной кинетической энергии отработавших газов, количество теплоты, соответствующее потерям на трение и на привод вспомогательных механизмов, а также другие неучтенные потери.
Тепловой баланс карбюраторного двигателя показан на рис. 3.1а, дизельного – на рис. 3.1б.
Количество теплоты, преобразованное в эффективную работу у карбюраторного ДВС, составляет 23–30%, у дизельного ДВС – 36–38 %.
а) б)
Рис. 3.1. Тепловой баланс карбюраторного и дизельного двигателя
Остальная часть теплоты, выделяющаяся при сгорании топлива, поглощается различными тепловыми потерями.
Тепловой баланс в значительной мере зависит от конструктивных особенностей двигателя (тип, основные размеры, степень сжатия, система охлаждения, смазки и др.), а также от ряда эксплуатационных факторов (условия окружающей среды, число оборотов, нагрузка и др.).
3.2. Определение основных размеров двигателей
Основными конструктивными размерами ДВС, определяющими его габариты, массу, стоимость, срок службы и другие показатели, являются диаметр цилиндра и ход поршня.
Рабочий объем цилиндра (м3) при заданной эффективной мощности равен:
Диаметр цилиндра определяется по формуле:
Обозначим отношение хода поршня к диаметру цилиндра
Тогда
.
Такой способ определения основных размеров двигателя базируется на обоснованном выборе величины отношения хода поршня к диаметру цилиндра, числа цилиндров и частоты вращения коленчатого вала двигателя.
При выборе отношения необходимо учитывать, что снижение имеет преимущества и недостатки.
Преимущества:
Недостатки:
Для современных ДВС значение = 0.8–1.3
Повышение частоты вращения коленчатого вала позволяет при прочих равных условиях уменьшить рабочий объем двигателя, следовательно, его габарит и массу. Однако при этом возрастают средняя скорость поршня и силы инерции движущихся масс двигателя, снижается механический КПД и экономичность, возрастают требования к топливоподающей аппаратуре дизелей.
Номинальная частота вращения коленчатого вала современных автотракторных ДВС характеризуется следующими данными, мин-1: карбюраторные четырехтактные двигатели грузовых автомобилей 3000–4000; автомобильные дизели 2000–3000; тракторные дизели 1600–2100. Данные по основным размерам наиболее распространенных ДВС приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Основные размеры двигателей внутреннего сгорания
|
Основные размеры |
Двигатели |
||||||
|
СМД14/ 20Н |
СМД 60/ 72 |
ЗИЛ-130 |
ЗИЛ-357 |
ЯМЗ-236/ 238/ 240 |
Камаз-740 |
Cummins L 10 |
|
|
Vh, л |
1.583 |
1.525 |
0.75 |
0.875 |
1.85 |
1.356 |
1.67 |
|
S, мм |
140 |
115 |
95 |
95 |
140 |
120 |
136 |
|
D, мм |
120 |
130 |
100 |
108 |
130 |
120 |
125 |
|
, при ne, мин-1 |
1.17 |
0.88 |
0.95 |
0.88 |
1.08 |
1 |
1.09 |
|
1700 1900 |
2000 2100 |
3200 |
3200 |
2100 |
2600 |
2100 |
3.3. Основные параметры двигателей
Для оценки и сравнения автотракторных двигателей, кроме конструктивных размеров, применяют ряд термодинамических, динамических, технологических параметров.
К термодинамическим параметрам относят: среднее эффективное давление, литровую и удельную поршневую мощности двигателя. Динамические параметры характеризуются средней скоростью поршня и коэффициентом форсировки. Технологическими параметрами являются удельный и литровый веса двигателя.
Литровой мощностью двигателя называется эффективная мощность двигателя, отнесенная к его литражу:
или
Как видно из приводимого выражения, повышение литровой мощности достижимо путем увеличения среднего эффективного давления, числа оборотов. Чем больше литровая мощность, тем меньше (при прочих равных условиях) габариты и вес двигателя. Литровая мощность дает возможность сравнивать степень использования рабочего объема двигателей, развивающих одинаковое число оборотов.
Удельной поршневой мощностью двигателя называется эффективная мощность двигателя, отнесенная в сумме площадей поршня двигателя:
.
Удельная поршневая мощность характеризует общую напряженность двигателя.
Средняя скорость поршня (м/с) определяется по формуле:
,
где S - ход поршня, мм.
Коэффициентом форсировки называется произведение средней скорости поршня на среднее эффективное давление.
.
Коэффициент форсировки показывает два пути повышения мощности двигателя:
Сухим весом двигателя GД называют вес двигателя без воды и масла, без коробки передач, муфты сцепления, радиатора и без агрегатов, не имеющих непосредственного отношения к двигателю, но с вентилятором, генератором и воздухоочистителем.
Литровым весом двигателя называется сухой вес двигателя, приходящийся на единицу литража:
.
Литровой вес дает возможность судить о степени совершенства конструкции и технологии изготовления двигателя.
Удельным весом двигателя называется сухой вес двигателя, приходящийся на единицу эффективной мощности:
.
4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Работу двигателя в различных эксплуатационных условиях можно проанализировать, если установлена связь между его мощностью, крутящим моментом, расходом топлива и другими величинами и показателями, определяющими режим работы двигателя.
Режим работы двигателя характеризуется нагрузкой и числом оборотов.
Полной нагрузкой называется любой режим работы двигателя, независимо от числа оборотов, при полностью открытой дроссельной заслонке (карбюраторные и газовые двигатели) или полной подаче топлива (дизельные двигатели).
Частичными нагрузками называются любые другие режимы работы двигателя при неполном открытии дроссельной заслонки или неполной подаче топлива. Частичные нагрузки оцениваются в долях от полной нагрузки с указанием соответствующего им числа оборотов.
Зависимость какого-либо основного показателя (или показателей) работы двигателя от другого показателя или фактора, влияющего на работу двигателя, называется характеристикой двигателя.
Характеристики двигателя строятся на основании опытных данных, получаемых при испытаниях двигателя в лабораторных условиях.
Основными характеристиками двигателя являются: скоростная характеристика; нагрузочная характеристика; регулировочные характеристики.
Испытание и построение регулировочных характеристик двигателя обычно предшествует получению скоростных и нагрузочных характеристик.
4.1. Регулировочные характеристики
Регулировочной характеристикой называется зависимость мощности, крутящего момента, расходов топлива или одного из этих показателей от какого-либо показателя или фактора, влияющего на работу двигателя.
Мощность и экономичность карбюраторных двигателей зависят от состава горючей смеси, на которой они работают. Эту зависимость определяют с помощью регулировочной характеристики по составу смеси (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Регулировочная характеристика по составу смеси.
Для определения регулировочной характеристики испытывают двигатель, поддерживая неизменным число оборотов коленчатого вала, положение дроссельной заслонки и температуру охлаждающей воды. При испытаниях изменяют только регулировку карбюратора, устанавливая последовательно топливные жиклеры с разными пропускными способностями или изменяя расход бензина через жиклеры с помощью регулировочной иглы.
При стабильном числе оборотов коленчатого вала и неизменном положении дроссельной заслонки количество воздуха, поступающего в двигатель, остается постоянным, поэтому в этих условиях изменение пропускной способности жиклеров обеспечивает обеднение или обогащение состава горючей смеси, на которой работает двигатель.
Количество тепла, которое должно выделяться при полном сгорании топлива, уменьшается как при обеднении смеси, так и при ее обогащении, учитывая химическую неполноту сгорания.
При уменьшении тепловыделения в процессе сгорания понижаются максимальные температуры и давления цикла, теплопередача в стенки и тепло, уносимое с выпускными газами.
Рациональная регулировка дозирующей системы выбирается на основании ряда регулировочных характеристик, полученных для конкретных эксплуатационных режимов.
Регулировочная характеристика по опережению зажигания показывает связь между эффективной мощностью, расходом топлива и углом опережения зажигания (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Регулировочная характеристика по опережению зажигания
Из сопоставления кривых регулировочной характеристики двигателя следует, что каждому режиму по числу оборотов соответствует определенный, наиболее выгодный угол опережения зажигания, при котором достигается наибольшая мощность. С увеличением числа оборотов наиболее выгодный угол опережения зажигания возрастает. Последнее объясняется главным образом тем, что с увеличением оборотов время, отводимое на сгорание, сокращается.
Регулировочная характеристика карбюраторного двигателя позволяет установить, что при рассматриваемом числе оборотов наиболее выгодному углу опережения зажигания соответствует не только наибольшее значение мощности, но и наилучшая экономичность – минимальный удельный расход топлива.
4.2. Скоростные характеристики
Скоростной характеристикой называется зависимость мощности, крутящего момента, расхода топлива и других показателей работы двигателя от числа оборотов.
Скоростная характеристика строится по данным испытаний двигателя на тормозном стенде и является основным документом для оценки двигателя при проектировании и в эксплуатации. По скоростным характеристикам сравнивают двигатели различных моделей.
Различают нормальные и нормально-эксплуатационные скоростные характеристики.
Нормальная скоростная характеристика снимается с двигателя, не оборудовнного вентилятором, воздухоочистителем и глушителем, а иногда и генератором.
Нормально-эксплуатационная скоростная характеристика снимается с двигателя, оборудованного полным комплектом всех вспомогательных приборов.
Скоростная характеристика двигателя может быть построена также аналитическим путем, но с некоторым приближением.
Скоростная характеристика в общем виде показана на рис. 4.3.
Характерными точками по оси частот вращения двигателя на скоростной характеристике являются:
nmin – минимальное число оборотов, при которых двигатель еще может устойчиво работать при полной нагрузке;
nM – число оборотов, соответствующее максимальному крутящему моменту;
Рис. 4.3. Скоростная характеристика двигателя в общем виде
ng – число оборотов, соответствующее наибольшей экономичности;
ne – число оборотов, соответствующее максимальной мощности;
nX – максимальное число оборотов, которое может развивать двигатель вхолостую при полностью открытом дросселе или полной подаче топлива;
nP – максимальные или “разносные” обороты, которые двигатель может развивать без регулятора при полностью открытом дросселе или полной подаче на холостом ходу. Работа при таком числе оборотов недопустима.
Из скоростной характеристики следует, что максимальный крутящий момент выше крутящего момента, реализуемого при максимальной мощности двигателя.
Отношение максимального крутящего момента при nM к крутящему моменту при ne называется коэффициентом приспособляемости К.
Этот коэффициент является показателем, оценивающим динамические качества двигателя. Он характеризует способность двигателя преодолевать возможное увеличение суммарных сопротивлений при движении машины без перехода на низшую передачу. Коэффициент приспособляемости у карбюраторных двигателей составляет 1.1–1.4, у дизельных 1.05–1.15.
Число оборотов nM, соответствующее максимальному крутящему моменту, обычно равно (0.4–0.7) ne.
4.2.1. Внешняя скоростная характеристика
Характеристика, полученная при полностью открытом дросселе (карбюраторные и газовые двигатели) или при полной подаче топлива (дизельные двигатели) и соответствующая максимальной мощности двигателя на каждом скоростном режиме, называется внешней скоростной характеристикой. Любая точка на кривой внешней характеристики характеризует полную нагрузку двигателя (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Внешняя скоростная характеристика
Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя снимается при полностью открытой дроссельной заслонке, установившемся тепловом режиме и оптимальном угле опережения зажигания для каждого скоростного режима.
4.2.2. Частичные скоростные характеристики
Характеристики, полученные при неполностью открытом дросселе или неполных подачах топлива, называются частичными скоростными характеристиками. Любая точка на кривых частичных характеристик характеризует неполные нагрузки.
Протекание рабочих циклов карбюраторных двигателей на прикрытых дроссельных заслонках связано с понижением всех давлений цикла, уменьшением количеств выделяющегося тепла при сгорании и более медленном его протекании. Одновременно с этим при меньших нагрузках возрастают относительные величины насосных тепловых и механических потерь.
В соответствии с этим изменяется характер скоростных характеристик, на рис. 4.5 показаны внешняя скоростная характеристика (сплошные кривые) и частичная скоростная характеристика (пунктирные кривые).
Максимумы кривых эффективных мощностей по мере прикрытия дросселя сдвигаются в сторону меньших чисел оборотов.
Рис. 4.5. Внешняя и частичная скоростные характеристики
Дизельный двигатель, имеющий всережимный регулятор, при уменьшении нагрузки работает на более бедной смеси, вследствие чего температуры газов в цилиндрах понижаются и тепловые потери в стенки сокращаются, а насосные потери при уменьшении нагрузок остаются почти без изменения. Однако большие, чем в карбюраторных двигателях, механические потери при уменьшении нагрузки быстрее возрастают по относительной величине, несколько ухудшая топливную экономичность дизеля при его малых нагрузках. Числа оборотов, соответствующие наибольшим эффективным мощностям дизелей при частичных нагрузках и наличии регулятора, сдвигаются в сторону меньших оборотов только при сильном их уменьшении.
4.2.3. Построение скоростных характеристик аналитическим методом
Скоростная характеристика проектируемого двигателя может быть построена аналитически по эмпирическим формулам С. Р. Лейдермана, если для ряда режимов по числу оборотов произведен тепловой расчет.
;
.
Крутящий момент и часовой расход топлива определяют по формулам (Нм и кг/ч соответственно):
;
.
где – максимальная мощность двигателя, кВт;
– удельный расход топлива при максимальной мощности, кг/кВт· ч;
n – выбранная частота вращения коленчатого вала, с-1;
ne – частота вращения, соответствующая максимальной мощности, с-1;
А, В, С, А1, В1, С1 – постоянные коэффициенты, значения которых приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Постоянные коэффициенты формул Лейдермана
|
Двигатели |
A |
B |
C |
A1 |
B1 |
C1 |
|
Карбюраторные |
1 |
1 |
1 |
1.2 |
1 |
0.8 |
|
Дизельные: |
|
|
|
|
|
|
|
с непосредственным впрыском |
0.87 |
1.4 |
1 |
1.55 |
1.55 |
1 |
|
предкамерные |
0.6 |
1.4 |
1 |
1.2 |
1.2 |
1 |
|
форкамерные |
0.7 |
1.3 |
1 |
1.35 |
1.35 |
1 |
4.3. Регуляторная характеристика
В условиях эксплуатации двигателей их нагрузка изменяется в широких пределах. При неподвижном рычаге или педали, управляющими подачей топлива, изменение внешней нагрузки вызовет колебания частоты вращения двигателя. В этих случаях для сохранения частоты вращения двигателя, постоянной при изменении внешней нагрузки, необходимо соответcтвенно изменять мощность дизеля, что возможно за счет разного количества впрыскиваемого дизельного топлива.
Таким образом, при регулировании мощности дизеля и приведении ее в соответствие с внешней нагрузкой необходимо автоматически изменять цикловую подачу топлива, для чего в систему питания включают регулятор. В соответствии с этим для оценки параметров, характеризующих работу дизеля с регулятором, используют регуляторную характеристику, определяющую зависимость чисел оборотов, часовых и удельных расходов топлива и других параметров от эффективной мощности, при воздействии регулятора на орган подачи топлива.
Регуляторную характеристику снимают, испытывая дизель, причем снятие регуляторной характеристики должно производиться при постоянном положении органа управления регулятором путем постепенного увеличения нагрузки от холостого хода до полной. При этом числа оборотов изменяются от максимальных, определяемых регулятором, до оборотов, при которых крутящий момент дизеля достигает максимума. В соответствии с этим при увеличении внешней нагрузки повышение мощности дизеля должно быть получено автоматически за счет возрастания цикловых подач дизельного топлива.
Регуляторная характеристика дизеля представлена на рис. 4.6.
Рис. 4.6. Регуляторная характеристика дизеля
4.4. Нагрузочная характеристика
Нагрузочной характеристикой называется зависимость часового и удельного расходов топлива от мощности, крутящего момента или среднего эффективного давления двигателя при постоянном числе оборотов. Для снятия характеристик по нагрузке необходимы следующие условия:
Снятие характеристик производится при различных положениях дроссельной заслонки (карбюраторные двигатели) или при различных положениях рейки топливного насоса (дизельные двигатели).
На рис. 4.7. приводятся нагрузочные характеристики двигателей ЗИЛ-131 и ЯМЗ-236. Нагрузочные, характеристики позволяют оценить экономичность двигателя при различных режимах работы (по оборотам и нагрузке).
Рис. 4.7. Нагрузочные характеристики
Поворачиваемостью называют свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых колес. Есть две основных причины поворачиваемости: увод колес, вызываемый поперечной эластичностью шин, и поперечный крен кузова, связанный с эластичностью подвески. Соответственно различают шинную и креновую поворачиваемость автомобиля.
Уводом называют качение колеса под углом к своей плоскости. При действии на колесо с эластичной шиной поперечной силы вектор скорости центра колеса отклоняется от плоскости вращения на некоторый угол — угол увода. Сила и угол увода связаны следующей зависимостью.
Величина зависит от многих факторов, из которых наибольшее значение имеют величина угла увода, вертикальная и касательная силы, приложенные к колесу, и наклон колеса к вертикали. Считая, что эти факторы действуют независимо один от другого, их влияние учитывают экспериментальными поправочными коэффициентами. С учетом этих коэффициентов формула принимает следующий вид.
Таким образом, траектория движения автомобиля с жесткими шинами зависит только от угла автомобиля о эластичными шинами на нее влияют углы увода, которые в свою очередь зависят от 0, v и других факторов. При наличии увода автомобиль может двигаться криволинейно. Кривизна траектории зависит от соотношения углов. Шинную поворачиваемость автомобиля называют нейтральной.
Экспериментальные зависимости угла для некоторых шин показаны на рис. 28. Эти зависимости имеют сложный характер, однако при малых углах увода их можно приближенно считать линейными, а коэффициент постоянным.
При наличии увода центр поворота автомобиля находится не в точке, как у автомобиля с жесткими шинами, а в точке т. е. в месте пересечения перпендикуляров к векторам скоростей.
В случае действия поперечной силы на автомобиль, имеющий жесткие шины, он сохраняет прежнее направление движения, пока эта сила по величине не станет равной силе сцепления. Автомобиль, имеющий нейтральную шинную поворачиваемость, под действием поперечной силы движется под углом к прежнему направлению движения.
Для движения автомобиля эластичными шинами по кривой радиусом управляемые колеса нужно повернуть на больший угол, чем при жестких шинах. В этом случае шинную поворачиваемость автомобиля называют недостаточной. Под действием поперечной силы при прямолинейном движении передняя ось автомобиля G недостаточной поворачиваемостью в результате увода движется под углом к прежнему направлению движения, а задний мост — под углом. Автомобиль поворачивается вокруг центра, вследствие чего возникает центробежная сила, поперечная составляющая которой направлена в сторону, противоположную силе, что уменьшает результирующую поперечную силу и увод колес. Следовательно, автомобиль с недостаточной шинной поворачиваемостью устойчиво сохраняет прямолинейное направление движения.
В этой теме мы рассмотрим очень особенный вид неравномерного движения. Исходя из противопоставления равномерному движению, неравномерное движение - это движение с неодинаковой скоростью, по любой траектории. В чем особенность равноускоренного движения? Это неравномерное движение, но которое "равно ускоряется". Ускорение у нас ассоциируется с увеличением скорости. Вспомним про слово "равно", получим равное увеличение скорости. А как понимать "равное увеличение скорости", как оценить скорость равно увеличивается или нет? Для этого нам потребуется засечь время, оценить скорость через один и тот же интервал времени. Например, машина начинает двигаться, за первые две секунды она развивает скорость до 10 м/с, за следующие две секунды 20 м/с, еще через две секунды она уже двигается со скоростью 30 м/с. Каждые две секунды скорость увеличивается и каждый раз на 10 м/с. Это и есть равноускоренное движение.
Физическая величина, характеризующая то, на сколько каждый раз увеличивается скорость называется ускорением.
Можно ли движение велосипедиста считать равноускоренным, если после остановки в первую минуту его скорость 7км/ч, во вторую - 9км/ч, в третью 12км/ч? Нельзя! Велосипедист ускоряется, но не одинаково, сначала ускорился на 7км/ч (7-0), потом на 2 км/ч (9-7), затем на 3 км/ч (12-9).
Обычно движение с возрастающей по модулю скоростью называют ускоренным движением. Движение же с убывающей скоростью - замедленным движением. Но физики любое движение с изменяющейся скоростью называют ускоренным движением. Трогается ли автомобиль с места (скорость растет!), или тормозит (скорость уменьшается!), в любом случае он движется с ускорением.
Равноускоренное движение - это такое движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется (может увеличиваться или уменьшаться) одинаково
Ускорение тела
Ускорение характеризует быстроту изменения скорости. Это число, на которое изменяется скорость за каждую секунду. Если ускорение тела по модулю велико, это значит, что тело быстро набирает скорость (когда оно разгоняется) или быстро теряет ее (при торможении).Ускорение - это физическая векторная величина, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.
Определим ускорение в следующей задаче. В начальный момент времени скорость теплохода была 3 м/с, в конце первой секунды скорость теплохода стала 5 м/с, в конце второй - 7м/с, в конце третьей 9 м/с и т.д. Очевидно, . Но как мы определили? Мы рассматриваем разницу скоростей за одну секунду. В первую секунду 5-3=2, во вторую секунду 7-5=2, в третью 9-7=2. А как быть, если скорости даны не за каждую секунду? Такая задача: начальная скорость теплохода 3 м/с, в конце второй секунды - 7 м/с, в конце четвертой 11 м/с.В этом случае необходимо 11-7= 4, затем 4/2=2. Разницу скоростей мы делим на промежуток времени.
Эту формулу чаще всего при решении задач применяют в видоизмененном виде:
Формула записана не в векторном виде, поэтому знак "+" пишем, когда тело ускоряется, знак "-" - когда замедляется.
Направление вектора ускорения
Направление вектора ускорения изображено на рисунках
На этом рисунке машина движется в положительном направлении вдоль оси Ox, вектор скорости всегда совпадает с направлением движения (направлен вправо). Когда вектор ускорение совпадает с направлением скорости, это означает, что машина разгоняется. Ускорение положительное.
При разгоне направление ускорения совпадает с направлением скорости. Ускорение положительное.
На этом рисунке машина движется в положительном направлении по оси Ox, вектор скорости совпадает с направлением движения (направлен вправо), ускорение НЕ совпадает с направлением скорости, это означает, что машина тормозит. Ускорение отрицательное.
При торможении направление ускорения противоположно направлению скорости. Ускорение отрицательное.
Разберемся, почему при торможении ускорение отрицательное. Например, теплоход за первую секунду сбросил скорость с 9м/с до 7м/с, за вторую секунду до 5м/с, за третью до 3м/с. Скорость изменяется на "-2м/с". 3-5=-2; 5-7=-2; 7-9=-2м/с. Вот откуда появляется отрицательное значение ускорения.
При решении задач, если тело замедляется, ускорение в формулы подставляется со знаком "минус"!!!
Перемещение при равноускоренном движении
Дополнительная формула, которую называют безвременной
Формула в координатах
Связь со средней скоростью
При равноускоренном движении среднюю скорость можно рассчитывать каксреднеарифметическое начальной и конечной скорости
Из этого правила следует формула, которую очень удобно использовать при решении многих задач
Соотношение путей
Если тело движется равноускоренно, начальная скорость нулевая, то пути, проходимые в последовательные равные промежутки времени, относятся как последовательный ряд нечетных чисел.
Главное запомнить
1) Что такое равноускоренное движение;
2) Что характеризует ускорение;
3) Ускорение - вектор. Если тело разгоняется ускорение положительное, если замедляется - ускорение отрицательное;
3) Направление вектора ускорения;
4) Формулы, единицы измерения в СИ
Билет18
Кинематика кривошипно-шатунного механизма
В автомобильных двигателях в основном используются следующие типы кривошипно-шатунного механизма (рис. 8.1): центральный (аксиальный), смещенный (дезаксиальный). Комбинируя данные схемы, можно сформировать кривошипно-шатунный механизм (КШМ) как линейного, так и многорядного многоцилиндрового двигателя. При этом смещенный механизм возможен в двух вариантах. В первом случае ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала, а во втором — ось поршневого пальца смещена относительно оси цилиндра.
При работе двигателя основные элементы КШМ совершают различные виды перемещений. Поршень движется возвратно-поступательно. Шатун совершает сложное плоскопараллельное движение в плоскости его качания. Кривошип коленчатого вала совершает вращательное движение относительно его оси.
В смещенных КШМ имеется еще один геометрический параметр, влияющий на его кинематику, — смещение оси цилиндра (пальца) относительно оси коленчатого вала а. При этом относительное смещение к = а/г является дополнительным к л критерием кинематического подобия смещенных КШМ. Таким образом, подобные смещенные КШМ имеют одинаковые л и к, где к изменяется от 0,02 до 0,1.
При кинематическом анализе КШМ приняты следующие допущения:
угловая скорость (частота вращения) коленчатого вала щ постоянна;
элементы КШМ абсолютно жесткие;
зазоры в подвижных сочленениях КШМ отсутствуют.
Кинематику КШМ можно полностью описать, если известны законы изменения во времени следующих параметров:
перемещения поршня X. Начало отсчета (X = 0) соответствует положению поршня в ВМТ; положительное направление отсчета принято при его движении от ВМТ к НМТ при вращении кривошипа по ходу часовой стрелки;
угла поворота кривошипа ц (начало отсчета — положение кривошипа при нахождении поршня в ВМТ);
угла отклонения шатуна в от оси цилиндра (в = 0 при ц = 0).
Кинематика кривошипа. Вращательное движение кривошипа коленчатого вала определено, если известны зависимости угла поворота ц, угловой скорости щ и ускорения е от времени t.
Кинематика поршня. Кинематика возвратно-поступательно движущегося поршня описывается зависимостями его перемещения Чц, скорости н4 и ускорения L в функции угла поворота кривошипа ц.
Кинематика шатуна. Сложное плоскопараллельное движение шатуна складывается из движения его верхней головки с кинематическими параметрами поршня и его нижней кривошипной головки с параметрами конца кривошипа. Кроме того, шатун совершает вращательное (колебательное) движение относительно точки сочленения с поршнем.
Яндекс.Директ
|
Аппараты для сварки чугуна!Большой магазин сварочных аппаратов! Выбор, гарантия, бесплатная доставка!tiberis.ru |
Аргонно-дуговая сварка Сварка чугуна. Варим всё, под все виды контроля.Выезд.Адрес и телефон svarka-argon.ru
Но время движения управляемые колеса автомобиля, имеющего зависимую подвеску, могут колебаться вместе с передним мостом в вертикальной плоскости, а вместе с рулевой трапецией — вокруг шкворней (осей поворота) в горизонтальной плоскости.
Угловые колебания управляемых колес вокруг шкворней недопустимы, т.к. детали ходовой части и рулевого управления воспринимают при этом значительные знакопеременные динамические нагрузки, а колебания с большой амплитудой приводят к потере автомобилем управляемости. Наиболее опасными являются устойчивые колебания колес, т.е. такие, которые непрерывно повторяются. В случае наклона управляемых колес в вертикальной плоскости, например при наезде одного из них на неровность дороги, происходит перекос переднего моста. Это вызывает угловые колебания колес, которые усиливают перекос моста и продолжаются после съезда колеса с неровности. Основным средством уменьшения угловых колебаний колес является применение независимой передней подвески. В этом случае большой наклон при вертикальных перемещениях управляемых колес не происходит.
Рассмотренные колебания являются собственными, они зависят только от характеристик упругих элементов, моментов инерции и масс отдельных деталей. Могут также возникнуть вынужденные колебания, вызванные периодическим действием возмущающей силы, например за счет дисбаланса (неуравновешенности) управляемых колес. При качении неуравновешенного колеса возникает центробежная сила, горизонтальная составляющая которой пытается повернуть колесо относительно шкворня, а вертикальная составляющая — переместить колесо в вертикальном направлении. При качении колеса направление центробежной силы непрерывно меняется, что приводит к его вилянию. Наиболее неблагоприятным является случай, когда оба колеса имеют дисбаланс и неуравновешенные участки расположены в одной плоскости, но с разных сторон от оси вращения колес. В этом случае поворачивающие моменты, действующие на колеса, складываются и угловые колебания становятся особенно сильными. Явным признаком дисбаланса управляемых колес является биение рулевого колеса в процессе движения.
Возмущающая сила может появиться также при чередовании неровностей через приблизительно равные промежутки пути. В этом случае при некоторой скорости движения возможно совпадение частот вынужденных и собственных колебаний, т.е. наступит резонанс, при котором амплитуда колебаний возрастет.
Стабилизацией управляемых колес называют свойство сохранять нейтральное положение (занимаемое ими при прямолинейном движении) и автоматически в него возвращаться.
Измерителями стабилизации колес при выходе автомобиля из попорота служат стабилизирующий момент и угловая скорость поворота рулевого колеса при возвращении его в нейтральное положение.
Стабилизирующий момент Мст возникает благодаря продольному и поперечному наклонам шкворней, а также вследствие поперечной эластичности шины. Этот момент действует на рычаг рулевой трапеции со стороны управляемых колес, а с противоположной стороны действует момент сил сопротивления (трения) в рулевом управлении Мру. При входе автомобиля в поворот водитель должен создать на рулевом колесе момент такой величины, чтобы преодолеть суммарный момент Мст + Мру. Поэтому для облегчения управления автомобилем момент Мст не должен быть особенно большим.
Если при выходе автомобиля из поворота водитель отпустит рулевое колесо, то передние управляемые колеса под действием разности моментов Мст — Мру будут стремиться возвратиться в нейтральное положение. Когда стабилизирующий момент достигнет значения момента трения Мру, возвращение колес в нейтральное положение прекратится, хотя колеса будут еще повернуты на некоторый угол, т.е. силы трения в рулевом управлении ухудшают процесс стабилизации колес. Во время прямолинейного движения автомобиля стабилизирующие моменты на правом и левом колесах взаимно уравновешиваются, и суммарный стабилизирующий момент на рычаге рулевой трапеции равен нулю. Стабилизацию колес в этом случае в основном обеспечивает момент Мру, препятствующий произвольному выходу колес из нейтрального положения.
3)??????????????
Билет19
При работе двигателя в КШМ действуют следующие основные силовые факторы: силы давления газов, силы инерции движущихся масс механизма, силы трения и момент полезного сопротивления. При динамическом анализе КШМ силами трения обычно пренебрегают.
Силы давления газов. Сила давления газов возникает в результате реализации в цилиндрах рабочего цикла.
Сила давления газов, действующая на поршень, нагружает подвижные элементы КШМ, передается на коренные опоры картера и уравновешивается внутри двигателя за счет упругой деформации несущих элементов блок-картера силой Р'г, действующей на головку цилиндра (рис. 8.3, а). Эти силы не передаются на опоры двигателя и не вызывают его неуравновешенности.
Силы инерции движущихся масс. КШМ представляет собой систему с распределенными параметрами, элементы которой движутся неравномерно, что приводит к возникновению инерционных нагрузок.
Детальный анализ динамики такой системы принципиально возможен, однако сопряжен с большим объемом вычислений. Поэтому в инженерной практике для анализа динамики двигателя используют модели с сосредоточенными параметрами, созданные на основе метода замещающих масс. При этом для любого момента времени должна выполняться динамическая эквивалентность модели и рассматриваемой реальной системы, что обеспечивается равенством их кинетических энергий.
Обычно используют модель из двух масс, связанных между собой абсолютно жестким безынерционным элементом (рис. 8.4). Первая замещающая масса /яу- сосредоточена в точке сопряжения поршня с шатуном и совершает возвратно-поступательное движение с кинематическими параметрами поршня, вторая тг располагается в точке сопряжения шатуна с кривошипом и вращается равномерно с угловой скоростью щ.
Детали поршневой группы совершают прямолинейное возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра.
Кривошип коленчатого вала совершает равномерное вращательное движение. Конструктивно он состоит из совокупности двух половин коренной шейки, двух щек и шатунной шейки. При равномерном вращении на каждый из указанных элементов кривошипа действует центробежная сила, пропорциональная его массе и центростремительному ускорению.
Элементы шатунной группы совершают сложное плоскопараллельное движение.
Выполнение этих двух условий обеспечивает статическую эквивалентность замещающей системы реальному КШМ;
3) условие динамической эквивалентности замещающей модели обеспечивается при равенстве суммы моментов инерции масс, расположенных в характерных точках модели. Данное условие для двухмассовых моделей шатунов существующих двигателей обычно не выполняется, в расчетах им пренебрегают из-за его малых численных значений.
Суммарный крутящий момент двигателя. В одноцилиндровом двигателе крутящий момент Мк = Тг. Так как г — величина постоянная, то характер его изменения по углу поворота кривошипа полностью определяется изменением тангенциальной силы Т.
2) Проходи́мость — способность автомобиля преодолевать препятствия.
Проходимость важна, например:
Автомобиль очень высокой проходимости называется вездеходом.
Автомобиль, сочетающий высокую проходимость и комфорт езды, называется внедорожником (джипом). Существуют также «паркетники», внешне похожие на внедорожники, но не предназначенные для езды по бездорожью.
Содержание
[убрать]
Типичные виды препятствий[править | править исходный текст]
Неровная дорога[править | править исходный текст]
Езда по неровной дороге снижает срок службы автомобиля. Если сила тяги, развиваемая автомобилем, недостаточна, он может застрять.
Для того, чтобы автомобиль справлялся с неровными дорогами, применяют такие меры:
Точечные препятствия[править | править исходный текст]
Небольшие, но высокие препятствия (камни, пни, кочки) автомобиль должен пропускать под днищем. Для этого важны:
Подъёмы и спуски[править | править исходный текст]
При езде на подъём двигатель может заглохнуть. Если не хватает сцепления шин, автомобиль может сорваться вниз. При езде поперёк склона автомобиль может опрокинуться. При переходе с подъёма или спуска на ровное место автомобиль может зацепиться кузовом и застрять.
Меры борьбы:
Рыхлый грунт[править | править исходный текст]
Автомобиль, попавший на рыхлый грунт, может завязнуть в нём и не выбраться.
Меры борьбы:
Броды[править | править исходный текст]
Чтобы в автомобиль не попала вода, герметизируют нижнюю часть моторного отсека и кабины. На спецавтомобилях (например, военных) в целях снижения себестоимости, вместо герметизации может быть установлена помпа, откачивающая лишнюю воду. Забор воздуха в двигатель устанавливают как можно выше.
Воздухозаборник двигателя, выведенный выше, называют «шноркелем». Существуют заводские шноркели для популярных вседорожников. Многие джиперы делают шноркель самостоятельно, устанавливая на автомобиль «закрытый» воздушный фильтр «бочка», например, от ГАЗ-3110 или Москвич-2141, к которому через резиновую гофру прикрепляют пластиковую или металлическую тонкостенную трубу, идущую по стойке лобового стекла вверх. Вверху или устанавливается моноциклон или другой фильтр воды, или конец трубы разными способами «загибается» на крышу внедорожника во избежание попадания капель воды при дожде и брызгах.
Также для преодоления бродов, автомобили оснащают «гидрозащитой» — все сапуны агрегатов (двигатель, КПП, раздатка, мосты) дополняют гибкими шлангами, которые выводят как можно выше. Выводить шланги в шноркель не рекомендуется, потому что разрежение, создаваемое двигателем, передаётся и в агрегаты, помогая воде проникать через сальники внутрь агрегатов.
При преодолении брода рекомендуется снять ремень вентилятора охлаждения (часто это ремень генератора), если вентилятор не работает через вискомуфту во избежание поломки крыльчатки.
Мягкие и разрушаемые преграды[править | править исходный текст]
Кусты, ветки и т. д. Сами по себе не вредны, но среди податливых веток может оказаться твёрдый ствол или пень, способный смять радиатор, сорвать «дворники» и даже разбить ветровое стекло. К тому же ветки, постоянно хлещущие по стеклу, мешают обзору. Для защиты автомобиль снабжается кенгурятником и тросами-веткоотбойниками.
Рвы и пороговые препятствия[править | править исходный текст]
Возможность преодолевать такие препятствия важна для военных машин. Двухосная полноприводная машина может преодолеть ров, примерно равный по ширинерадиусу колеса (если же привод на одну ось — ещё более узкий). Многоосная и гусеничная — от трети до половины колёсной базы.
Пороговые препятствия (эскарпы) — вертикальные ступеньки. Даже при не очень большой высоте такие препятствия надёжно останавливают даже танк. Такие уступы обычно форсируют с помощью подручных средств, например, вязанок хвороста, либо пробивают путь артиллерийским огнём. Колёсная машина с приводом на одну ось может преодолеть уступ высотой в 2/3 радиуса колеса, с полным приводом — в радиус колеса.
Параметры, связанные с проходимостью[править | править исходный текст]
Габаритные параметры[править | править исходный текст]
Дорожный просвет (клиренс)[править | править исходный текст]
В упрощённом значении, клиренсом автомобиля называют расстояние от самой низкой части автомобиля до поверхности земли. В технических описаниях клиренс, как правило, указывается для автомобиля в снаряжённом состоянии, что указывает на то, что заявленная величина дорожного просвета является максимальной эксплуатационной и может уменьшаться при загрузке автомобиля.
Величина клиренса является одним из ключевых факторов, влияющих на проходимость автомобиля. У внедорожных автомобилей с зависимой подвеской самой низкорасположенной точкой чаще всего является корпус дифференциала, реже — нижние кронштейны амортизаторов, стремянки рессор, корпус раздаточной коробки. При классической конструкции мостов клиренс таких автомобилей невелик и колеблется вокруг показателя в 200 мм (для штатных колёс). При независимой подвеске нижней точкой может быть как рычаги подвески, кронштейны амортизаторов, корпус раздаточной коробки, картер двигателя и дифференциалов (редко), так и элементы выпускной системы, части стабилизатора поперечной устойчивости (при его наличии), элемент рамы или лонжерона. В целом подобная конструкция позволяет значительно увеличить дорожный просвет автомобиля. В случае использования дополнительного оборудования, такого как защита элементов днища, фаркоп, дополнительные пороги, подножки, а также накладки на бампера и пр., именно оно может стать самой низкорасположенной частью автомобиля.
Самым распространённым способом увеличения клиренса автомобиля, вне зависимости от типа подвески, является установка колес большего диаметра.
Для зависимой подвески также практикуется перенос точек крепления амортизаторов, расположение рессор над мостом. Редко встречается переоборудование внедорожника мостами с бортовыми редукторами (если они не были предусмотрены заводской конструкцией).
Для возможности установки колес большего диаметра прибегают к процедуре «лифта». Лифт (англ. lift — подъем) — техническое вмешательство в конструкцию автомобиля с целью увеличения расстояния между кузовом и осью вращения колес. На практике применяется лифт подвески, лифт кузова (бодилифт).
При использовании лифта независимых конструкций подвески увеличение клиренса может происходить и без использования более крупных колес (с точки зрения улучшения параметров проходимости, такая операция является малодейственной, оставаясь при этом довольно трудоёмкой).
Углы свеса[править | править исходный текст]
Предположим, что автомобиль въезжает на эстакаду с углом наклона α.
Передний угол свеса (угол въезда) — это максимальное α, при котором автомобиль может въехать передним колесом на склон, не задев эстакады никакой частью кузова (на схеме отмечен красным цветом). Аналогично, задний угол свеса (угол съезда) — максимальное α, при котором можно въехать задним колесом на склон (на схеме отмечен зелёным цветом).
Угол заднего свеса обычно делают больше, чтобы водитель был уверен: если автомобиль не застрял передней частью, пройдёт и задней.
У машин, предназначенных для езды по бездорожью (внедорожников), угол въезда и съезда больше, чем у обычных легковых машин. Например, у внедорожникаDefender угол проходимости достаточно высокий: передний угол проходимости (въезда) — 49°, задний угол проходимости (съезда) — 47°.
Углы свеса
Угол продольной проходимости (Угол рампы, Угол переката)[править | править исходный текст]
Угол продольной проходимости - Максимальный угол, при котором автомобиль может перейти со склона на горизонтальную часть эстакады, ничего не задевая днищем.
Угол рампы (Угол переката) - Максимальный угол, между касательными к передним и задним колесам и нижней точкой автомобиля.
Эти углы характеризуют крутизну препятствий, которые автомобиль может преодолевать.
Угол продольной проходимости
Угол поперечной статической устойчивости[править | править исходный текст]
Угол, на который надо наклонить машину вокруг продольной оси, чтобы она опрокинулась.
Тяговые параметры[править | править исходный текст]
Тип привода[править | править исходный текст]
Автомобили высокой проходимости имеют привод на все колёса, плюс некоторые меры, позволяющие избежать пробуксовки колёс (например, блокировкадифференциала, механические и электронные демультипликаторы). Двигатель обычно дизельный, так как он надёжнее работает в воде и имеет больший крутящий момент.
В трансмиссии должны быть пониженные передачи, которые позволяют взбираться по крутым склонам и двигаться по мягкому грунту.
Удельная мощность[править | править исходный текст]
Отношение мощности автомобиля к его массе.
Тяговооружённость[править | править исходный текст]
Отношение силы тяги к массе автомобиля.
Опорно-сцепные параметры[править | править исходный текст]
Удельное давление на грунт[править | править исходный текст]
На первых внедорожных автомобилях, а также их последователях военного и хозяйственного назначения традиционно использовались автомобильные шины высокого удельного давления на грунт с развитыми грунтозацепами. С одной стороны, малая ширина резины способствовала уменьшению сопротивления качению, что повышало скорость передвижения по твердым грунтам, улучшало показатели топливной экономичности. С другой стороны, узкие колеса, за счет большего удельного давления, давали лучшие возможности сцепления на неглубоких вязких и рыхлых грунтах. Преодоление заведомо непроходимых, без вспомогательных технических средств, местностей с глубокими вязкими грунтами (болота, сыпучие песчаники, снежные целины) не входило в задачи подобных автомобилей. На выполнение таких задач были ориентированы другие виды самодвижущейся техники — многоколесные, гусеничные вездеходы и пр.
Как только внедорожные автомобили стали активно использоваться на дорогах с твердым покрытием, появился новый уровень требований к их активной безопасности; для улучшения управляемости и возможностей торможения, стали использоваться более широкие колеса. Конструкция таких автомобилей стала предусматривать более мощные силовые агрегаты, за счет чего были отчасти нивелировано возросшее сопротивление качению.
Тем не менее, на автомобили повышенной проходимости, не рассчитанные на постоянное использование на дорогах с твердым покрытием, стараются установить колеса, имеющие как можно меньшее удельное давление на грунт, за счет их увеличенного диаметра и ширины. При наличии развитых грунтозацепов, такая конструкция колеса позволяет двигаться по относительно глубоким вязким грунтам. Увеличенный диаметр позволяет преодолевать препятствия большей высоты, в том числе улучшает способности машины по накату колеи и увеличивает дорожный просвет автомобиля.
На вездеходах на пневматическом ходу используются колеса сверхбольшого диаметра и ширины с низким внутренним давлением. Крайне низкое давление на грунт позволяет не повреждать поверхности почв, растения, а также обеспечивает плавучесть (при достаточном внутреннем объёме пневматической шины). Развитые грунтозацепы используются редко, так как фактически, их роль выполняет эластичная шина, повторяющая в месте пятна контакта форму грунта и за счет этого, повышающая силу трения.
Тип подвески[править | править исходный текст]
Специфика использования предъявляет к автомобилям повышенной проходимости следующие требования: повышенный, по сравнению с автомобилями дорожных модификаций, дорожный просвет, большая энергоемкость и долговечность упругих и демпфирующих элементов, большие ходы подвески, а также устойчивость элементов подвески к механическим воздействиям (удары о грунт, препятствия).
В большинстве случаев, зависимая конструкция подвески улучшает проходимость машины на пересеченной местности за счет больших, по сравнению с независимой, артикуляционных возможностей. Иными словами, на переломах профиля грунта, колеса, при такой конструкции подвески, с большей вероятностью смогут сохранять контакт с поверхностью грунта. У автомобилей с независимой подвеской и отсутствием блокирующихся дифференциалов, или систем, имитирующих их эффект, в подобных условиях возникает вывешивание колеса, что приводит к потере автомобилем подвижности. Картер моста зависимой подвески зачастую выполняет рользащиты картера двигателя, что важно при преодолении поверхностей с выступающими элементами (бревна, камни, пр.) С другой стороны, независимая подвеска, за счет высоко расположенного корпуса дифференциала, увеличивает дорожный просвет автомобиля. Также, независимая подвеска имеет большее количество нагруженных подвижных элементов, что понижает её надежность и повышает стоимость изготовления и обслуживания.
Однако, существует и тип зависимой подвески, способный значительно увеличить дорожный просвет автомобиля, при сохранении основных достоинств зависимой конструкции — мосты с колесными редукторами. Балка моста в них расположена выше оси вращения колес, дифференциал традиционно располагается на самой балке, однако редукторные механизмы расположены непосредственно у каждого колеса. Самые известные автомобили, использующие подобную конструкцию — Unimog, Volvo и УАЗ. Мосты подобной конструкции называют «портальными». К недостаткам могут быть отнесены повышенная вибро- и шумонагруженность, повышенная масса, потери в динамике, и, конечно, редкость и дороговизна.
С точки зрения управляемости, при скоростном передвижении по пересеченной местности, наиболее предпочтительна независимая конструкция подвески. В первую очередь, это обусловлено меньшим объёмом её неподрессоренных масс, большей энергоемкостью и меньшей склонности к крену. Именно такая конструкция используется на большинстве легковых автомобилей для ралли-рейдов, в том числе знаменитом Париж-Дакар.
Коэффициент сцепления шин[править | править исходный текст]
Чем он выше, тем меньше риск сорваться со склона или довести машину до пробуксовки. Для повышения сцепления используют шины с развитыми грунтозацепами; на асфальте, однако, такие шины имеют худшее сцепление и создают повышенный шум.
Для увеличения коэффициента сцепления шин могут быть использованы цепи противоскольжения и сектора противоскольжения. Так же можно заменить колеса на гусеницы.
3)
Билет20
3 октября, 2011 admin
В одноцилиндровом двигателе не уравновешены сила инерции вращающихся масс, силы инерции Fn И Ffn возвратно-поступательно движущихся масс и опрокидывающий момент. Одноцилиндровый двигатель можно уравновесить только установкой противовесов.
Уравновешивание силы. Центробежную силу Кг уравновешивают установкой противовесов на продолжении щеки коленчатого вала. Массу противовесов подбирают так, чтобы возникающая при вращении вала центробежная сила противовесов была равна силе Кг Условие уравновешивания центробежной силы или где — расстояние центра тяжести противовеса от оси вращения.
При заданной массе противовесов радиус вращения их центра тяжести.
Для снижения расхода металла следует принимать возможно большим, так как при этом масса противовесов может быть уменьшена. Однако по конструктивным соображениям это не всегда удается.
Высшая школа водительского мастерстваВождение автомобилей высокой проходимости
Профильная проходимость. К автомобилям высокой проходимости относятся только полноприводные автомобили, т. е. автомобили, у которых все колеса являются ведущими. По количеству ведущих колес их принято обозначать так: двухосный - 4 х 4, т. е. всего четыре колеса, из них четыре ведущих. Аналогично трехосные автомобили обозначаются - 6х6, четырехосные - 8х8. Эти три наиболее распространенные схемы автомобилей высокой проходимости отличаются друг от друга степенью проходимости в различных дорожных условиях.
Способность автомобиля двигаться по неровной поверхности, какой обычно бывает бездорожье, принято называть профильной проходимостью. На проходимость автомобиля большое влияние оказывают его некоторые геометрические параметры (рис. 1), к которым относятся: угол въезда ?1 и угол съезда ?2. Эти углы определяют возможность преодоления крутых бугров, канав и ям, и у автомобилей высокой проходимости они обычно бывают не менее 30°. Величины этих углов не зависят от схемы шасси (от количества осей) и могут быть как одинаковыми, так и несколько отличаться.
Другим параметром, определяющим проходимость по неровной местности, является величина дорожного просвета Н. От этой величины существенно зависит способность автомобиля двигаться по дорогам с глубокими колеями, по глубокому снегу и мягким грунтам. Этот параметр, как и предыдущие, также не зависит от схемы шасси.
Рис. 1. Основные геометрические параметры, влияющие на профильную проходимость автомобиля
С величиной дорожного просвета тесно связан радиус поперечной проходимости r. Величина его тем меньше, чем больше дорожный просвет. Он зависит также от величины колеи - чем больше колея В, тем больше радиус r. Но величина колеи колеблется в сравнительно небольших пределах, так как она определяется шириной автомобиля. Автомобили, имеющие меньший радиус r, имеют лучшую профильную проходимость при движении вдоль кюветов, бугров и других продольных неровностей.
Схема шасси (количество осей) влияет на радиус продольной проходимости R. Чем больше осей у автомобиля, тем он меньше и тем более крутые неровности может преодолевать автомобиль. Наименьшим радиусом продольной проходимости обычно располагают четырехосные автомобили, так как у них наименьшее расстояние между средними осями. Эти автомобили могут преодолевать острые холмы, крутые овраги, гребни песчаных барханов и даже лесные завалы. Различна способность автомобилей преодолевать глубокие канавы с крутыми стенками. Так, при ширине канавы более 0,8-0,9 диаметра колеса, двух- и трехосные автомобили не смогут ее преодолеть. Четырехосные же автомобили преодолевают такие препятствия и даже большие без затруднений (рис.2). Профильная проходимость и величина дорожного просвета в значительной степени определяются диаметром колеса. Чем больше диаметр колеса, тем большие неровности - канавы, бугры, уступы может преодолеть автомобиль.
Рис. 2. Влияние схемы автомобиля на его способность преодолевать глубокие канавы с крутыми стенками
Опорная проходимость автомобиля, виды грунтов, сопротивление движению и тяговая реакция. Возможности движения по бездорожью колесных автомобилей высокой проходимости, в первую очередь, определяются состоянием опорной поверхности (грунт, песок или снег) и характером взаимодействия колес с этой поверхностью. При движении автомобиля его ведущие колеса оказывают на опорную поверхность не только вертикальную нагрузку, но и сдвигающее усилие. Способность опорной поверхности (грунта, песка и др.) противодействовать сдвигу называется сопротивлением сдвига или тяговой реакцией грунта. От соотношения величины этой реакции и величины сопротивления движению зависит способность автомобиля двигаться в данных условиях. Если величина тяговой реакции больше сил сопротивления движению, автомобиль двигается, если же меньше, то происходит остановка и полное буксование колес. Разница между силой тяги, развиваемой колесами по сцеплению с грунтом (тяговой реакцией грунта) и силой сопротивления движению, является запасом тяги. Чем больше этот запас тяги, тем выше проходимость.
Тяговая реакция грунта, находящегося под ведущими колесами, является переменной величиной и зависит от прочностных и других характеристик самого грунта, от величины и характера нагрузки, производимой колесом, конструктивных особенностей колеса, степени его пробуксовки.
Характер нагрузки, производимой на грунт, различен у неподвижного колеса, буксируемого и ведущего. Если просто опустить колесо на участок слабого, деформируемого грунта и нагрузить его вертикальной силой G (рис.3,а), то нагрузка будет действовать в площадке контакта, стремясь вызвать уплотнение грунта вниз и в стороны. Однако основное направление деформации и уплотнения, влияющее на величину тяговой реакции, вертикальное.
Если же это колесо начать буксировать или толкать, приложив горизонтальную силу Рв в центре его вращения, то оно начнет перекатываться, деформируя перед собой грунт и оставляя в нем колею (рис.3,б). В этом случае на грунт, помимо основной, вертикальной нагрузки, действует нагрузка, связанная со свободным качением колеса. Она вызывает деформацию грунта как в вертикальном направлении, так и в горизонтальном, так как имеется некоторый сдвиг грунта перед катящимся колесом. Так воздействует на грунт неведущее колесо автомобиля при его движении.
Рис. 3. Упрощенная схема сил, действующая в контакте колеса с грунтом
Если к колесу приложить крутящий момент Мкр, к перечисленным двум видам нагрузки, действующим на деформируемый грунт, добавляется тяговая нагрузка, действующая в зоне контакта колеса с грунтом. Эта нагрузка стремится сдвинуть грунт, находящийся под колесом, в сторону, противоположную движению автомобиля (рис.3,в). Именно этой нагрузке противодействует тяговая реакция грунта.
Большая часть слабых грунтов не выдерживает нагрузок современных колесных машин, в том числе и автомобилей высокой проходимости. При движении по таким грунтам происходит частичное или полное разрушение его верхнего слоя, пластическая деформация или течение части грунта. Величина разрушения или деформации грунта, т. е. глубина колеи у ведущего колеса больше, чем у ведомого, даже при одинаковой вертикальной нагрузке, так как перечисленные виды нагрузок, производимых колесом на грунт, определенным образом суммируются.
В большинстве случаев движение автомобиля по слабым грунтам происходит с частичной пробуксовкой ведущих колес, т. е. колесо, проскальзывая по грунту, сдвигает его верхний слой в зоне контакта с частичным или полным разрушением. Если грунт под колесом от действия вертикальной нагрузки не уплотняется, то величина его тяговой реакции существенно снижается. В таких случаях ведущее колесо срезает грунт и углубляется, т. е. буксует. Это явление характерно для сильно накаченной шины, не имеющей зоны плоского контакта с грунтом.
Если грунт под действием вертикальной нагрузки уплотняется колесом, что характерно для шин, работающих с низким внутренним давлением, то величина колеи получается меньшей, а тяговая реакция такого уплотненного грунта существенно возрастает.
Большая часть слабых грунтов лежит на твердом основании (размокший верхний слой, пашня, снежный покров, неглубокие заболоченные участки). Поэтому погружение колес, работающих с пробуксовкой в неуплотняемом грунте, по величине близко к толщине его слабого слоя. Если грунт, лежащий на твердом основании, поддается уплотнению, глубина колеи может быть существенно меньше толщины слоя слабого грунта. Величина сопротивления движению зависит не только от глубины погружения колес и других элементов ходовой части автомобиля в грунт, а также от его плотности, липкости, пластичности или рассыпчатости. Глубина погружения колес в грунт зависит, в первую очередь, от соотношения несущей способности грунта (способности грунта воспринимать вертикальную нагрузку) и удельной вертикальной нагрузки под колесами (удельного давления).
Удельное давление колеса представляет собой нагрузку, приходящуюся на каждый квадратный сантиметр площади контакта колеса с грунтом.
Колеса грузовых автомобилей на обычных шинах оказывают, как правило, высокое удельное давление на грунт, а поэтому глубоко погружаются почти во все слабые грунты. Колеса автомобилей высокой проходимости при понижении давления воздуха в шинах оказывают удельное давление на грунт в 5-6 раз меньшее, чем колеса обычных автомобилей, обладают свойством двигаться с небольшим углублением по песку, плотному сырому снегу, сырой луговине, пашне, осушенному болоту и по некоторым другим слабым грунтам.
При малом погружении колес в грунт автомобили высокой проходимости имеют меньшее сопротивление движению. Кроме того, в общей сумме удельных нагрузок, действующих в контакте колеса, доля удельных вертикальных нагрузок у них снижается, а доля допустимых горизонтальных возрастает, т. е. возрастает удельная касательная сила. Удельная касательная сила - это величина тяговой силы, действующей на каждый квадратный сантиметр площади контакта колеса с грунтом, которая уравновешивается тяговой реакцией грунта.
Величина суммарной тяговой реакции грунта, или тяга, развиваемая колесами автомобиля высокой проходимости, в предельных условиях сцепления определяется для данного грунта величинами площади контакта колес с грунтом, величиной удельной касательной нагрузки, действующей в контакте колес, и интенсивностью пробуксовки колес.
Исследователи, занимающиеся вопросами взаимодействия грунт-автомобиль, делят грунты на три группы: фрикционные (сухой песок, сухой сыпучий снег при низкой температуре), пластичные (сырая глина и подобные ей грунты), смешанные (все остальные).
Особенностью чисто фрикционных грунтов является то, что они мало подвержены уплотнению, и тяга, развиваемая на них колесами автомобиля при допустимых уровнях удельных давлений, зависит только от величины трения между свободно перемежающимися друг относительно друга частицами грунта и вертикальной нагрузки на колесо.
Чисто пластичные грунты подвержены уплотнению и характерны тем, что на них тяга, развиваемая колесами, не зависит от вертикальной нагрузки и определяется величиной сил, связывающих частицы грунта между собой, и величиной площади контакта колеса с грунтом. Чем больше площадь контакта, тем больше связей в грунте сопротивляется сдвигу, тем выше тяговая реакция грунта. Например, из двух автомобилей тяга может быть выше у более легкого автомобиля, если площадь контакта его колес с грунтом будет больше, чем у тяжелого. В промежуточных грунтах, наиболее распространенных, присутствуют и пластичные, и фрикционные элементы, поэтому на таких грунтах тяга определяется и величиной вертикальной нагрузки, и величиной площади контакта колес с грунтом. Наиболее трудно проходимыми считаются пластичные грунты с большим содержанием влаги, например глубокий ил.
Точное описание процесса взаимодействия колес с различными видами грунта крайне сложно. Оно связано, с одной стороны, с множеством показателей, характеризующих такие параметры грунта, как его плотность, коэффициент внутреннего трения, влажность, липкость и пр. С другой стороны, на характер взаимодействия колес с грунтом оказывает влияние не только размер, но и форма контакта колеса, т. е. отношение длины контактной площадки к ее ширине, распределение удельных давлений по площади контакта, конструкция и шаг грунтозацепов.
В настоящей книге все рассуждения, касающиеся процесса взаимодействия колеса с грунтовой поверхностью, приводятся в упрощенном виде и разъясняются только основные положения, касающиеся взаимодействия автомобиля высокой проходимости с грунтовой поверхностью, с целью обоснования тех или иных приемов вождения этих автомобилей.
Разные виды грунтов при различном их состоянии имеют различную несущую способность и по-разному способны воспринимать нагрузку, производимую колесами автомобиля. Пески, например, в большинстве случаев в сухом состоянии позволяют двигаться по ним с небольшим углублением колес только таких автомобилей, у которых удельное давление на грунт не выше 1 кгс/см2. Практически они легко преодолимы при пониженном давлении воздуха в шинах для всех отечественных автомобилей высокой проходимости. Эти автомобили способны преодолевать песчаные подъемы до 15-20°.
Плотный сырой песок проходим для обычных автомобилей и даже не полноприводных.
Песок-плывун в некоторых прибрежных районах может оказаться непроходимым при удельных давлениях порядка 0,5 кгс/см2, если на нем сделать даже кратковременную остановку.
Снег очень различен по своему состоянию. Очень плотный наносный снег, смерзшийся на всю глубину, может выдерживать обычные автомобили, т. е. удельные давления порядка 3-5 кгс/см2. Если слой плотного наста мал, чтобы выдержать массу автомобиля, и под слоем наста находится сыпучий снег, то условия для движения определяются как общей глубиной снега, так и толщиной и плотностью наста. Свежевыпавший и глубокий лесной сыпучий снега имеют малую плотность и не выдерживают даже удельных давлений лыжника, идущего на обычных лыжах (удельное давление 0,04-0,03 кгс/см2).
Движение по глубокому снегу такого вида колесных машин, имеющих во много раз большие удельные давления, чем лыжник, связано с погружением колес и ходовой части в снег на значительную глубину. Большая глубина прокладываемой в снегу колеи требует преодоления большого сопротивления движению. Отечественные автомобили высокой проходимости при пониженном давлении в шинах могут достаточно уверенно двигаться по такому снегу глубиной 500 мм. Сырой снег хорошо уплотняется колесами при удельном давлении 0,5-0,8 кгс/см2 и может быть проходим, например, автомобилями ЗИЛ-157, ЗИЛ-131, Урал-375 при глубине 700-800 мм, а иногда и более.
Глинистые грунты при изменении их влажности изменяют несущую способность от 5-10 кгс/см2 при малом содержании влаги до 0,1 - 0,3 кгс/см2 в текучем состоянии. При малой влажности они проходимы для обычных автомобилей, в размокшем на значительную глубину состоянии - только для автомобилей высокой проходимости на пониженном давлении воздуха в шинах, в текучем состоянии - только для гусеничных машин-болотоходов.
Торфяная масса, встречающаяся на заболоченных участках, представляет собой пористый материал и поэтому подвержена большому уплотнению. Способность торфа, лежащего на твердом дне, воспринимать нагрузку определяется содержанием влаги в нем, наличием и характером растительного покрова. Торф, покрытый растительностью (кустами, осокой), выдерживает большую нагрузку, так как корневая система увеличивает его прочность. Неглубокие торфяные заболоченные участки преодолимы для отечественных автомобилей высокой проходимости.
3)
Общепринятый измеритель плавности хода не установлен, хотя и существует большое число работ в этом направлении. Для широкого интервала частот колебаний, существующих в автомобиле (60—3000 кол/мин), нельзя принять в качестве единого измерителя ощущений амплитуду или скорость колебаний, ускорение при колебаниях или скорость его изменения.
Ощущения пассажира и плавность хода зависят от колебаний (кузова и осей колес), протекающих с частотами 60—900 кол/мин. Колебания с частотами 1500—3000 кол/мин, вызванные вибрациями двигателя или колебаниями отдельных частей кузова, имеют весьма малые амплитуды и обычно легко гасятся изоляционными прокладками (резина, войлок и т. п.), трением, сиденьями и т. п. На плавность хода они влияния не оказывают.
Для интервала частот, соответствующего колебаниям кузова и осей (колес) автомобиля, ощущения пассажира зависят от ускорений и скорости изменения ускорения. Колебания переносятся тем лучше, чем меньше амплитуда колебаний кузова (особенно угловых).
Количественный измеритель плавности хода должен быть простым и должен измеряться непосредственно. Сложные комбинированные измерители, определяемые подсчетами, могут привести к значительным ошибкам. В настоящее время наиболее рациональным измерителем следует считать ускорения при колебаниях с учетом числа воздействий в единицу времени.
На основании изучения ощущений пассажиров при колебаниях требования к подвеске, обеспечивающие хорошую плавность хода автомобиля, должны быть следующие:
1) минимальная величина ускорения кузова и плавное изменение ускорений при низкочастотных колебаниях;
2) минимальная амплитуда колебаний кузова (особенно угловых) и быстрое их затухание;
1) минимальная передача толчков от неровностей дороги кузову автомобиля.
Ускорение при колебаниях или скорость его изменения по времени зависит от квадрата или куба частот и от амплитуд в первой степени. Перемещение кузова при проезде неровности, а также степень передачи толчков от неровностей дороги кузову также зависят от частот колебаний. Из указанных требований следует, что в отношении плавности хода главное значение имеют частоты колебаний и второстепенное — амплитуды.
Сейчас автошины и диски можно заказать через интернет не выходя из дома, в частности диски Alcasta M вы можете заказать на сайте AllTire.ru.
Статья подготовлена журналистами сайта – Автотюнинг, при копировании материала ссылка на источник - AutoAero.net – ОБЯЗАТЕЛЬНА!
Билет 21
3 октября, 2011 admin
В отличие от одноцилиндрового двигателя на опоры многоцилиндровых двигателей могут передаваться не только силы инерции, но и моменты от этих сил. Взаимное уравновешивание этих сил и моментов можно достигнуть путем выбора определенного числа цилиндров и соответствующего расположения их и кривошипов коленчатого вала. Если таким методом обеспечить уравновешивание не удается, тогда уравновешивание многоцилиндрового двигателя осуществляется при установке системы противовесов, аналогичной системе для уравновешивания одноцилиндрового двигателя
Уравновешивание центробежных сил. Известно, что равномерное чередование вспышек в цилиндрах двигателей обеспечивается равенством углов между кривошипами ср = 720%» в четырехтактных и ср = 360%» в двухтактных двигателях.
Здесь означает для рядных двигателей число цилиндров. Так как углы между кривошипами равны, то при сложении векторов центробежных сил образуется правильный замкнутый многоугольник, что свидетельствует о равенстве нулю равно действующей сил. Исключение составляет только четырехтактный двухцилиндровый двигатель, для которого Ф = 72072 = 360°, т. е. оба кривошипа направлены в одну сторону.
Момент центробежных сил М = 0, если кривошипы расположены симметрично относительно середины коленчатого вала. Такое зеркально-симметричное расположение кривошипов применяется в четырехтактных двигателях с четным числом цилиндров. При нечетном числе цилиндров, а также в двухтактных двигателях Мг Ф 0.
Уравновешивание сил инерции первого порядка Fц. Сила инерции первого порядка определяется из выражения. Текущие значения силы Fn представляют собой проекции на ось цилиндра вектора с, вращающегося с угловой скоростью со и направленного в любой момент времени от оси коленчатого вала вдоль оси кривошипа.
Таким образом, векторы с расположены аналогично векторам центробежных сил Кг, и при равенстве углов между кривошипами их сумма равна нулю. Вследствие этого сумма проекций векторов с на любую ось также равна нулю.
Следовательно, при равенстве углов между кривошипами сумма сил инерции первого порядка во всех одновальных двигателях, кроме четырехтактного двухцилиндрового, равна нулю.
Момент сил инерции первого порядка MjX равен нулю, если коленчатый вал имеет зеркальную геометрическую симметрию. Если вал не обладает зеркальной симметрией, силы инерции первого порядка создают момент MjU который в рядных двигателях всегда действует в плоскости, проходящей через оси цилиндров, а в образных двигателях момент Mfl определяют, суммируя моменты правого и левого блоков с учетом сдвига их по фазе. Изменяясь по гармоническому закону, момент Мл вызывает продольные колебания двигателя. Уравновесить действующий в плоскости осей цилиндров продольный момент М„ можно путем установки в двигателе двух валов с противовесами ( 13.
Уравновешивание сил инерции второго порядка Fm, Сила инерции второго порядка Fjn так же, как и сила F. может быть представлена в виде проекции вращающегося вектора Іс на ось цилиндра. Так как вектор Кс вращается с удвоенной угловой скоростью, углы между векторами 2а в многоцилиндровом двигателе будут в 2 раза больше, чем углы между кривошипами коленчатого вала.
В двигателях с кривошипами, направленными в одну сторону (как в четырехтактном двухцилиндровом двигателе) или расположенными под углом 180° (как в четырехтактном четырехцилиндровом двигателе), векторы Кс направлены в одну сторону, так как углы между ними соответственно равны 720 и 360°. Равнодействующая Fjn в этих случаях уравновешивается с помощью двух валов с противовесами, вращающимися в разные стороны с угловой скоростью 2со.
Во всех других случаях сумма векторов кс представляет собой замкнутый многоугольник, следовательно, Рщ = 0.
Для валов с зеркальной симметрией момент сил инерции второго порядка MjU равен нулю, так как сумма моментов каждой пары сил F,n, расположенных симметрично относительно середины вала, равна нулю.
Момент М)и также равен нулю для двигателей, имеющих четное число кривошипов, если они попарно равноудалены от середины вала, и угол между кривошипами в каждой паре равен 180°. Удвоенная скорость вращения векторов Ко обусловливает такое же направление сил инерции F, ц, как и в валах с зеркальной симметрией. В остальных случаях момент сил FjU не равен нулю. Уравновешивают продольный момент М)и так же, как и момент Мд, с помощью двух валов с противовесами. Разница состоит лишь в том, что дополнительные валы должны вращаться с удвоенной угловой скоростью.
2) Плавность хода автомобиля оценивается параметрами вертикальных колебаний. Измерителями плавности хода являются частота колебаний ω илип, мин–1, амплитуда колебаний z (наибольшее перемещение кузова от положения равновесия), скорость колебаний (первая производная перемещения по времени), м/с, ускорения колебаний (вторая производная перемещения по времени), м/с2.
Для одномассовой колебательной системы (рис. 13.1), обладающей одной степенью свободы и выведенной из состояния равновесия, частоты колебаний равны
где Т — период колебаний.
Эти частоты связаны между собой зависимостью
Подставим в указанное выражение значение и, учитывая, что получим
Рис. 13.1. Одномассовая колебательная система
или с учетом значения ускорения силы тяжести g = 980 см/с2
где с — жесткость пружины, кг/см; f ст — статический прогиб пружины, см.
С этой частотой будет совершать свободные колебания одно-массовая колебательная система, выведенная из состояния равновесия.
Свободные колебания обусловлены наличием восстанавливающей силы (силы упругости) пружины колебательной системы. Они считаются незатухающими и представляют собой гармонические перемещения, описываемые синусоидой.
Дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебаний одномассовой колебательной системы имеет вид
или с учетом ω
Рассмотренная одномассовая колебательная система с одной степенью свободы является простейшей и не отражает реальных колебательных процессов, происходящих при движении автомобиля.
Метки РАЗГОН СОПРОТИВЛЕНИЕ СИЛА МАССА АВТОМОБИЛЬ
Alaine, ср, 22/02/2012 - 19:30
Pи = Pип + Pие + Pик
Использование приведенной формулы не удобно, в связи с этим можно используют:
Теперь приведем уравнение силы сопротивления разгону в общий вид:
Где:
δ = 1 + δ1 · iк2 + δ2 = 1 + 0,04 · iк2 + 0,04 = 1,08 + 0,04 · iк2
δ1 – коэффициент учета вращающихся масс двигателя;
δ2 – коэффициент учета вращающихся масс колеса;
Билет22
1) Основные понятия о балансировке и колебаниях коленчатого вала
Яндекс.ДиректМастерская ремонтно-слесарная МРССпецавтомобили МРС с кран-стрелой, сваркой, токарным станком. Производство.automzsa.ru
При конструировании коленчатого вала его форму подбирают так, чтобы он был уравновешен, т. е. чтобы ось вращения вала являлась главной центральной осью инерции. Однако в процессе изготовления вследствие неизбежных технологических погрешностей и неоднородности материала указанное условие нарушается и любой реальный коленчатый вал всегда в той или иной мере неуравновешен. Для устранения неуравновешенности снимают металл в определенном месте или-закрепляют уравновешивающие грузы с противоположной стороны.
Процесс предварительного подбора уравновешивающих грузов и их последующее закрепление на коленчатом валу, или, что-то же самое, снятие металла с балансировочных участков коленчатого вала, называется балансировкой.
Статическая балансировка применяется в основном для деталей дисковой формы, когда диаметр балансируемой детали больше ее длины. Во всех остальных случаях применяют динамическую балансировку, которая обеспечивает большую точность уравновешенности.
Динамическая балансировка проводится на специальных балансировочных станках, снабженных измерительной аппаратурой. В ряде современных балансировочных станков устанавливается счетно-решающее устройство, с помощью которого можно определять положение дисбаланса и его массу.
Периодические колебания масс, вызывающие закручивание отдельных участков вала, называются крутильными колебаниями. Крутильные колебания, возникающие в момент прекращения действия внешних сил (или моментов), называются собственными или свободными. Крутильные колебания, вызываемые и поддерживаемые периодически меняющимися внешними силами или моментами, называются вынужденными. Частота вынужденных колебаний зависит от характера изменения действующей нагрузки.
Когда частота собственных колебаний совпадает с частотой вынужденных колебаний, то наступает состояние резонанса. При резонансе могут возникнуть значительные перегрузки вала вплоть до его разрушения. Резонансы крутильных колебаний в рабочем диапазоне частоты вращения коленчатого вала недопустимы.
С целью гашения возникающих крутильных колебаний на коленчатых валах, имеющих большую длину, устанавливают специальные устройства, называемые гасителями крутильных колебаний (демпферами). Гасители крутильных колебаний разных конструкций устанавливаются на передней части вала. Принцип действия гасителей состоит в том, что силы трения поглощают энергию колебаний.
|
Плавность хода — это совокупность потенциальных свойств автомобиля, характеризующих его способность двигаться в заданном интервале скоростей без превышения установленных норм вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов и конструктивных элементов автомобиля.Нормы вибронагруженности устанавливаются такими, чтобы на дорогах, для которых предназначен автомобиль, колебания водителя и пассажиров не вызывали у них неприятных ощущений и быстрой утомляемости, а колебания грузов и конструктивных элементов автомобиля не приводили к их повреждениям.Возникающие при движении автомобиля колебания, вызванные неровностями дороги, оказывают влияние не только на плавность хода, но и на ряд других эксплуатационных свойств. Так, при эксплуатации грузовых автомобилей на дорогах с неудовлетворительным состоянием поверхности средняя скорость движения уменьшается на 40-50 %, межремонтный пробег — на 35-40, расход топлива увеличивается на 50-70, а себестоимость перевозок — на 50-60 %.Колебания масс автомобиля обусловлены неровностями опорной поверхности дороги. Интенсивность колебаний зависит от параметров и характеристик компоновки автомобиля, его подвески и шин, а также от характеристики воздействий дороги, определяемой геометрией неровностей и скоростью движения автомобиля. Параметры автомобиля, его механизмов и систем определяются в процессе функционального проектирования и зависят от его назначения. Вначале определяются основные параметры автомобиля исходя из требований обеспечения высоких тягово-скоростных свойств и топливной экономичности. Показатели этих свойств характеризуют потенциальные возможности автомобиля по эффективному выполнению функционального назначения. Производительность автомобиля непосредственно связана со скоростью его движения в реальных дорожных условиях. Однако потенциальные скоростные свойства автомобиля могут ограничиваться необходимостью обеспечения виброзащиты водителя, пассажиров и груза. Поэтому для достижения высокой эффективности выполнения транспортных работ автомобиль должен обладать возможностью длительного движения по дорогам с неровной поверхностью в интервале высоких эксплуатационных скоростей. Это свойство обеспечивается выбором рациональной структуры и оптимальных параметров подвески автомобиля. В качестве исходных данных при функциональном проектировании подвески принимаются параметры компоновки автомобиля, характеристики дорожных условий и технические требования на показатели оценки плавности хода, устанавливаемые на основе действующих нормативных документов.Показатели плавности хода автомобиля характеризуют воздействия колебаний на водителя, пассажиров, элементы конструкции и перевозимый груз. Особое внимание уделяется виброзащите человека. Колебания автомобиля оказывают неблагоприятные воздействия на организм человека, вызывая функциональные расстройства ряда внутренних органов, отражающиеся на его здоровье. Организм человека адаптирован к частотам колебаний до 1,5-2,5 Гц при ускорении тела до 0,4#, что соответствует средней скорости пешехода. Изменение частоты и интенсивности колебаний может оказать серьезное влияние на состояние человека. Одиночные воздействия большой интенсивности могут привести к травматическим повреждениям (ушибам, переломам, контузии). Колебания с частотой 3-5 Гц вызывают реакции вестибулярного аппарата, расстройства сосудистой системы, укачивание (морскую болезнь). При частотах 4-11 Гц возникают резонансные колебания головы, желудка, печени, кишечника. Колебания с частотами 11-45 Гц приводят к ухудшению зрения, вызывают тошноту и рвоту. При частоте свыше 45 Гц и определенной интенсивности возникает так называемая вибрационная болезнь. |
При сжигании топлива очень важно правильно регулировать поступление воздуха в топку котла.
|
|
Если воздуха в топку котла будет поступать мало, то кислорода не будет хватать для полного сгорания топлива, и часть горючих газов, образующихся в топке котла (например, окись углерода СО), и несгоревшие частицы угля будут уноситься с продуктами горения в дымовую трубу. Неполноту сгорания топлива можно заметить по появлению черного дыма из дымовой трубы. Очевидно, что такое сжигание вызывает излишнюю трату топлива.
Чтобы обеспечить полное сгорание кускового топлива, практически приходиться подавать воздуха в топку в несколько раз больше, чем требуется по расчету (например, в полтора раза). Но чрезмерный избыток воздуха в топке котла недопустим, так как много тепла при этом тратится на нагревание излишнего воздуха перед его подачей в топку котла, а также много тепла уносится в дымовую трубу.
Действительное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, должно быть несколько большим теоретического, так как при практическом сжигании топлива не все количество теоретически необходимого воздуха используется для горения топлива; часть его не участвует в реакции горения в результате недостаточного перемешивания воздуха с топливом, а также из-за того, что воздух не успевает вступить в соприкосновение с углеродом топлива и уходит в газоходы котла в свободном состоянии. Поэтому отношение количества воздуха, действительно подаваемого в топку котла, к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха в топке
αт = Vвд / Vв°,
где Vвд — действительный объем воздуха, поданного в топку котла на 1 кг топлива,
Vв° — теоретический объем воздуха,
тогда
Vвд = αт ּ Vв° (40)
Коэффициент избытка воздуха зависит от вида сжигаемого топлива, способа его сжигания, конструкции топки котла и принимается на основании опытных данных.
Пример 10. Определить действительно необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива и полный, объем дымовых газов при сжигании твердого топлива с составом (Ср=52,1%; Нр=3,8%; Sр4=2,9%; Nр=1,1%; Ор=9,1%) , данным в Примере 5 (см. ссылку Теоретический объем воздуха и дымовых газов). Коэффициент избытка воздуха в топке котлаαт = 1,4.
По формуле (40)
Vвд =1,4 · 5,03 = 7,4 м³/кг.
В действительный объем водяных паров при избытке воздуха больше единицы входят водяные пары, поступающие с избыточным воздухом в количестве 0,0161· Vв° · (α – 1) м³/кг.
Действительный объем водяных паров, м³/кг (см. формулу 35)
V°н2о = V°н2о + 0,0161· Vв° · (α – 1).
Полный объем дымовых газов, м3/кг, получающийся при сгорании 1 кг топлива (см. формулу 36):
Vг = VRо2 + VN2 + V°н2о + 0,0161· Vв° · (α – 1).
Объем водяных паров при α = 1,4 по формуле (35)
V°н2о = 0,69 + 0,0161·5,03· (1,4 - 1) = 0,72 м³/кг.
Полный объем дымовых газов по формуле (36)
Vг = 0,99 + 3,98 + 0,62 + 0,72 = 6,31 м³/кг.
При работе топок всех видов необходимо постоянно наблюдать за исправным ведением топочных процессов по контрольно-измерительным приборам. На экономичность работы котельной установки значительное влияние оказывают потери тепла от химической неполноты сгорания топлива. Величина потерь зависит в основном от количества воздуха, поступающего в топку.
Для поддержания нормального горения нужно подводить воздуха в топку столько, сколько требуется для полного сгорания топлива, что достигается постоянным контролем за составом дымовых газов. Наиболее важно определение содержания в дымовых газах двуокиси и окиси углерода.
В случае неполного сгорания при недостатке воздуха в составе уходящих газов из топки котла будут углеводороды, окись углерода СО, а иногда и чистый водород Н, а при чрезмерном избытке воздуха создаются условия для удаления из топки котла несгоревших летучих горючих веществ и уноса частичек твердого топлива. Поэтому при эксплуатации топки следует сводить неполноту сгорания к возможному минимуму. Как правило, котельный агрегат работает или при полном сгорании, или с незначительной химической неполнотой сгорания.
При присосе холодного воздуха в газоходы котла экономичность его работы снижается, поэтому персонал, обслуживающий котлоагрегат, должен постоянно следить за исправностью обмуровки, плотным закрытием заслонок, дверок, гляделок и пр.
Билет 23
1)