1. Двигатель
Литровая мощность характеризует степень эффективности использование рабочего объема цилиндров; зависит от величины среднего эффективного давления pe , числа оборотов n коленчатого вала двигателя и тактности двигателя T и является показателем форсированности двигателя по pe и n
Литровая мощность подсчитана по формуле
Nл = Ne max / Vh , л.с./л.,
где Vh - рабочий объем цилиндров в л.
Удельная мощность характеризует тепловую и динамическую напряженность двигателя; зависит от величины среднего эффективного давления pe , средней скорости поршня ωср , и коэффициента тактности τ.
Удельная мощность подсчитана по формуле
Nу = Ne max / ((i π Dц2)/4) , л.с./дм2.
Литровый вес является показателем совершенства конструкции двигателя, совершенства технологического процесса его изготовления и качества применяемых материалов.
Литровый вес подсчитан по формуле
Gл = Gд / Vh , кг/л.,
где Gд - вес двигателя, кг.
Удельный вес зависит от совершенства конструкции двигателя и от степени его форсирования по среднему эффективному давлению pe и числу оборотов n.
Удельный вес подсчитан по формуле
Gу = Gд / Ne max , кг/л.с.
Коэффициент приспособляемости характеризует динамические качества двигателя, т.е. способность его преодолевать кратковременные перегрузки.
Коэффициент приспособляемости подсчитан по формуле
K = Mmax / MN ,
где Mmax - максимальный крутящий момент;
MN - значение крутящего момента при максимальной мощности.
Основные параметры двигателя приведены в таблице 1.1.
Основной характеристикой автомобильного двигателя, определяющей его экономику и динамику, является скоростная (внешняя) характеристика. Эта характеристика представляет собой зависимость эффективной мощности Ne двигателя, часового GT и удельного ge расходов топлива от числа оборотов n. Для карбюраторных двигателей скоростная характеристика соответствует работе при полном открытии дроссельной заслонки при установленной эксплуатационной регулировке карбюратора и при наивыгоднейшем для данного режима работы опережении зажигания. На рисунке 1.1 показана скоростная характеристика испытанного двигателя М-20 первых выпусков (мощностью 50 л.с.), приведенная к нормальным условиям и соответствующая работе приработанного двигателя с полным комплектом оборудования (воздухоочиститель, водяной насос, генератор), но без глушителя и вентилятора.
Рис. 1.1. Скоростная характеристика двигателя М-20
Кроме кривой мощности Ne, на характеристике приведена кривая крутящего момента, подсчитанная по формуле:
Мкр = 716.2 Ne
/ n , кгм.
На рисунке 1.2 приведена характеристика трения в двигателе, дающая зависимость мощности трения Nтр и механического к.п.д. νм двигателя в функции числа оборотов n.
Рис. 1.2. Характеристики трения в двигателе М-20
Мощность трения Nтр является мощностью, которая необходима для прокручивания двигателя. Мощность трения затрачивается на преодоление трения в различных механизмах двигателя, на приведение в действие вспомогательных устройств (масляный и водяной насосы, генератор и т.д.), и на насосные потери - на впуск и выпуск. Давление трения pтр представляет собой часть среднего индикаторного давления двигателя, затрачиваемую на преодоление внутренних потерь.
Характеристика трения снята при полном открытии дроссельной заслонки; с двигателя, оборудованного воздухоочистителем, генератором, водяным и масляным насосами, но без вентилятора.
Основные параметры рабочего процесса двигателя приведены в таблице 1.2. Все цифровые данные в таблице 1.2 соответствуют режиму максимальной мощности двигателя.
Такие параметры, как среднее индикаторное и эффективное давления в pi и pe, давление трения pтр, мощности, к.п.д. двигателя и удельный расход топлива даны или подсчитаны по формулам:
Среднее эффективное давление pe = (450 T Ne) / (n Vh); кг/см2
Где T - коэффициент тактности (для четырехтактного двигателя принят равным T = 2)
Давление трения pтр = 0.35+0.0005·n кг/см2
Среднее индикаторное давление pi = pe + pтр кг/см2
Индикаторная мощность двигателя Ni = Ne + Nтр л.с.;
Механический к.п.д. двигателя νм = Ne / Ni
Эффективный к.п.д. двигателя νм = (632 1000) / (geHu)
Где ge - удельный расход топлива в г/л.с.ч.
Hu - рабочая теплотворность топлива в ккал/кг.
Кинематика кривошипно-шатунного механизма характеризуется величинами перемещений, скоростей и ускорений поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Значения этих величин зависят от угловой скорости вращения коленчатого вала и от соотношения основных размеров кривошипно-шатунного механизма - радиуса кривошипа к длине шатуна.
Характер изменения основных кинематических параметров в функции угла поворота коленчатого вала двигателя М-20 показан на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Кинематические параметры двигателя М-20
Данные по кинематическим параметрам двигателя М-20 приведены в табл. 1.3. Подсчет величин кинематических параметров (без учета бокового смещения оси коленчатого вала) произведен по формулам:
Перемещение поршня:
x = r ( 1 + (λ/2) sin2 α - cos α)
Скорости поршня:
Ω = ω r ( sin α + λ / 2 sin 2α)
Ускорения поршня:
j = ω2r ( cos α + λ cos 2α)
Средняя скорость поршня:
Ωср = Sn / 30
где λ = l / r;
r - радиус кривошипа;
l - длина шатуна;
ω - угловая скорость коленчатого вала;
S - ход поршня;
n - число оборотов коленчатого вала в минуту;
α - угол поворота кривошипа.
Кинематические параметры подсчитаны для угловой скорости w коленчатого вала, соответствующей числу оборотов вала при максимальной мощности двигателя.
Динамика двигателя характеризуется теми силами, которые действуют в кривошипно-шатунном механизме. Этими силами являются силы давления газов и инерционные силы, возникающие при движении деталей. Инерционные силы, кроме величин ускорений движущихся деталей, зависят также от их массы. Данные о весе движущихся деталей двигателя М-20, о их массах и основных весовых соотношениях приведены в таблице 1.5.
В таблице 1.6 приведены величины суммарных сил инерции поступательно движущихся частей двигателя М-20. Подсчет величин сил инерции произведен по формуле
X = m j,
где m - приведенная масса возвратно движущихся частей - принята равной массе поршневого комплекта + треть массы шатуна(из табл. 1.5.)
j - ускорения возвратно движущихся частей (из табл. 1.4)
При работе двигателя суммарная сила, приложенная к центру поршневого пальца, представляет собой алгебраическую сумму силы P давления газов и сил инерции X поступательно движущихся частей:
F = P ± X,
Сила, приложенная к поршневому пальцу при работе кривошипно-шатунного механизма, может быть разложена на силу, действующую вдоль шатуна Рш, и силу, нормальную к оси цилиндра N. Сила Рш, действующая по шатуну и перенесенная к центру кривошипа, может быть разложена на силу тангенциальную Т и радиальную Z. Тангенциальная сила Т, действуя на радиусе r кривошипа, обеспечивает вращение коленчатого вала двигателя и развитие на нем крутящего момента Mкр. При вращении коленчатого вала от неуравновешенных вращающихся частей кривошипа возникает центробежная сила S, приложенная к центру шатунной шейки. Радиальная сила Z и центробежная сила S воспринимаются подшипниками коленчатого вала и создают соответствующую нагрузку на подшипники вала. Сила N, нормальная к стенке цилиндра, действуя на плече А от центра поршневого пальца до центра коленчатого вала, создает обратный крутящий момент Мобр, численно равный крутящему моменту Мкр двигателя. Обратный крутящий момент воспринимается от корпуса двигателя рамой автомобиля через детали подвески двигателя. Значения всех указанных сил периодически изменяются по своей величине и направлению за один полный оборот коленчатого вала. Нагрузка на подшипники определяется значениями максимальных и средних удельных давлений на шатунные и коренные шейки вала.
Рис. 1.4. Схема сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм двигателя
Наличие противовесов на валу двигателей, уравновешивающих центробежные силы инерции вращающихся частей двигателя, значительно разгружает коренные подшипники, снижая давление на них. При работе двигателя возникающие силы инерции X1 и Х2 первого и второго порядка возвратно движущихся частей, силы инерции S неуравновешенных вращающихся масс и обратный крутящий момент Мобр, воздействуя на детали и узлы двигателя и раму автомобиля, способствуют более быстрому расшатыванию сочленений и креплений и их разрушению.
Для устранения этих явлений используют способ уравновешивания свободных сил. В многоцилиндровых двигателях уравновешенность зависит от числа цилиндров, их расположения и от принятой формы расположения кривошипов вала. В двигателе М-20 силы инерции первого порядка и момент от этих сил полностью уравновешены. Силы инерции второго порядка неуравновешены и приводятся к равнодействующей
∑ Х2 = 4mrω2λ cos 2α
Вследствие наличия противовесов центробежные силы S в каждом цилиндре уравновешены. Момент от этих сил отсутствует и подшипники полностью разгружены от его действия.
Литровая мощность характеризует степень эффективности использование рабочего объема цилиндров; зависит от величины среднего эффективного давления pe , числа оборотов n коленчатого вала двигателя и тактности двигателя T и является показателем форсированности двигателя по pe и n
Литровая мощность подсчитана по формуле
где Vh - рабочий объем цилиндров в л.
Удельная мощность характеризует тепловую и динамическую напряженность двигателя; зависит от величины среднего эффективного давления pe , средней скорости поршня ωср , и коэффициента тактности τ.
Удельная мощность подсчитана по формуле
Литровый вес является показателем совершенства конструкции двигателя, совершенства технологического процесса его изготовления и качества применяемых материалов.
Литровый вес подсчитан по формуле
где Gд - вес двигателя, кг.
Удельный вес зависит от совершенства конструкции двигателя и от степени его форсирования по среднему эффективному давлению pe и числу оборотов n.
Удельный вес подсчитан по формуле
Коэффициент приспособляемости характеризует динамические качества двигателя, т.е. способность его преодолевать кратковременные перегрузки.
Коэффициент приспособляемости подсчитан по формуле
где Mmax - максимальный крутящий момент;
MN - значение крутящего момента при максимальной мощности.
Основные параметры двигателя приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1.
| Тип двигателя | четырехтактный карбюраторный | ||
| Применяемое топливо | Бензин А70 | ||
| Число цилиндров | 4 | ||
| Диаметр цилиндров в мм, Dц | 82 | ||
| Ход поршня в мм, S | 100 | ||
| Рабочий объем в л, Vh | 2.12 | ||
| Степень сжатия | 6.2 | ||
| Мощность | Максимальная эффективная в л.с., Ne max | 50 | |
| Литровая в л.с./л., Nл | 23.6 | ||
| Удельная в л.с./дм2, Nу | 23.6 | ||
| Крутящий момент в кгм | При максимальной мощности МN | 10.0 | |
| Максимальный Мmax | 12.5 | ||
| Коэффициент приспособляемости | 1.25 | ||
| Число оборотов коленчатого вала двигателя в минуту | При максимальной мощности nN | 3600 | |
| При максимальном крутящем моменте nм | 2000 | ||
| Отношение nм / nN | 0.555 | ||
| Вес двигателя | Сухой вес в кг | Без коробки и сцепления G | 195 |
| С коробкой и сцеплением Gк | 250 | ||
| Литровый вес в кг/л | Без коробки и сцепления Gл | 92 | |
| С коробкой и сцеплением Gлк | 118 | ||
| Удельный вес в кг/л.с. | Без коробки и сцепления Gу | 3.9 | |
| С коробкой и сцеплением Gук | 5.0 | ||
| Порядок работы двигателя | 1 - 2 - 4 - 3 | ||
| Минимальный удельный расход топлива в г/л.с.ч, qe min | 265 | ||
Основной характеристикой автомобильного двигателя, определяющей его экономику и динамику, является скоростная (внешняя) характеристика. Эта характеристика представляет собой зависимость эффективной мощности Ne двигателя, часового GT и удельного ge расходов топлива от числа оборотов n. Для карбюраторных двигателей скоростная характеристика соответствует работе при полном открытии дроссельной заслонки при установленной эксплуатационной регулировке карбюратора и при наивыгоднейшем для данного режима работы опережении зажигания. На рисунке 1.1 показана скоростная характеристика испытанного двигателя М-20 первых выпусков (мощностью 50 л.с.), приведенная к нормальным условиям и соответствующая работе приработанного двигателя с полным комплектом оборудования (воздухоочиститель, водяной насос, генератор), но без глушителя и вентилятора.
Рис. 1.1. Скоростная характеристика двигателя М-20
Кроме кривой мощности Ne, на характеристике приведена кривая крутящего момента, подсчитанная по формуле:
На рисунке 1.2 приведена характеристика трения в двигателе, дающая зависимость мощности трения Nтр и механического к.п.д. νм двигателя в функции числа оборотов n.
Рис. 1.2. Характеристики трения в двигателе М-20
Мощность трения Nтр является мощностью, которая необходима для прокручивания двигателя. Мощность трения затрачивается на преодоление трения в различных механизмах двигателя, на приведение в действие вспомогательных устройств (масляный и водяной насосы, генератор и т.д.), и на насосные потери - на впуск и выпуск. Давление трения pтр представляет собой часть среднего индикаторного давления двигателя, затрачиваемую на преодоление внутренних потерь.
Характеристика трения снята при полном открытии дроссельной заслонки; с двигателя, оборудованного воздухоочистителем, генератором, водяным и масляным насосами, но без вентилятора.
Основные параметры рабочего процесса двигателя приведены в таблице 1.2. Все цифровые данные в таблице 1.2 соответствуют режиму максимальной мощности двигателя.
Таблица 1.2.
| Среднее индикаторное давление в кг/см2, pi | 8.05 |
| Давление трения в кг/см2, pтр | 2.15 |
| Среднее эффективное давление в кг/см2, pe | 5.90 |
| Мощность трения в л. с., Nтр | 18 |
| Индикаторная мощность в л. с., Ni | 68 |
| Эффективная мощность в л. с., Ne max | 50 |
| Механический к.п.д. νм | 0.734 |
| Индикаторный к.п.д. νi | 0.300 |
| Эффективный к.п.д. νe | 0.220 |
| Удельный расход топлива при максимальной мощности г/л.с.ч, ge | 0.275 |
Такие параметры, как среднее индикаторное и эффективное давления в pi и pe, давление трения pтр, мощности, к.п.д. двигателя и удельный расход топлива даны или подсчитаны по формулам:
Среднее эффективное давление pe = (450 T Ne) / (n Vh); кг/см2
Где T - коэффициент тактности (для четырехтактного двигателя принят равным T = 2)
Давление трения pтр = 0.35+0.0005·n кг/см2
Среднее индикаторное давление pi = pe + pтр кг/см2
Индикаторная мощность двигателя Ni = Ne + Nтр л.с.;
Механический к.п.д. двигателя νм = Ne / Ni
Эффективный к.п.д. двигателя νм = (632 1000) / (geHu)
Где ge - удельный расход топлива в г/л.с.ч.
Hu - рабочая теплотворность топлива в ккал/кг.
Кинематика кривошипно-шатунного механизма характеризуется величинами перемещений, скоростей и ускорений поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Значения этих величин зависят от угловой скорости вращения коленчатого вала и от соотношения основных размеров кривошипно-шатунного механизма - радиуса кривошипа к длине шатуна.
Характер изменения основных кинематических параметров в функции угла поворота коленчатого вала двигателя М-20 показан на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Кинематические параметры двигателя М-20
Данные по кинематическим параметрам двигателя М-20 приведены в табл. 1.3. Подсчет величин кинематических параметров (без учета бокового смещения оси коленчатого вала) произведен по формулам:
Перемещение поршня:
Скорости поршня:
Ускорения поршня:
Средняя скорость поршня:
где λ = l / r;
r - радиус кривошипа;
l - длина шатуна;
ω - угловая скорость коленчатого вала;
S - ход поршня;
n - число оборотов коленчатого вала в минуту;
α - угол поворота кривошипа.
Кинематические параметры подсчитаны для угловой скорости w коленчатого вала, соответствующей числу оборотов вала при максимальной мощности двигателя.
Таблица 1.3.
| Расчетное число оборотов в минуту, n | 3600 | |
| Средняя угловая скорость коленчатого вала, 1/сек, ω | 377 | |
| Соотношение механизма | s / D | 1.219 |
| λ = r / l | 0.247 | |
| Средняя скорость поршня в м/сек ωср | 12.0 | |
| Максимальная скорость ωmax | в м/сек | 19.40 |
| при угле поворота | 77°20' | |
Таблица 1.4.
| Угол поворота вала в град | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 90 | 100 | 120 | 140 | 160 | 180 |
| Перемещения поршня X в мм | 0 | 3.75 | 14.25 | 29.65 | 47.30 | 56.20 | 64.70 | 79.65 | 90.85 | 97.75 | 100 |
| Скорость поршня ω в м/cек | 0 | 7.95 | 14.42 | 18.34 | 19.36 | 18.85 | 17.78 | 14.31 | 9.82 | 4.94 | 0 |
| Ускорение поршня j в м/сек2 | 8861 | 8023 | 5749 | 2672 | -412 | -1755 | -1755 | -4434 | -5138 | -5337 | -5351 |
Динамика двигателя характеризуется теми силами, которые действуют в кривошипно-шатунном механизме. Этими силами являются силы давления газов и инерционные силы, возникающие при движении деталей. Инерционные силы, кроме величин ускорений движущихся деталей, зависят также от их массы. Данные о весе движущихся деталей двигателя М-20, о их массах и основных весовых соотношениях приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5
| Вес деталей в г | Поршень | 450 | |
| Кольцо | компрессионное | 15 | |
| маслосъемное | 18 | ||
| Палец | 110 | ||
| Поршневой комплект Gп | 626 | ||
| Шатунный комплект Gш | 870 | ||
| Весовые соотношения в г/см2 | Gп / Fп | 11.8 | |
| Gш / Fп | 16.4 | ||
| ( Gп + 1/3 Gш ) / Fп | 17.2 | ||
| 2/3 Gш / Fп | 10.9 | ||
| Массы в кг сек2 / м | |||
| Поршневого комплекта mп | 0.0638 | ||
| Шатунного комплекта mш | 0.0885 | ||
| Поступательно движущихся частей m = mп + 1/3 mш | 0.0932 | ||
В таблице 1.6 приведены величины суммарных сил инерции поступательно движущихся частей двигателя М-20. Подсчет величин сил инерции произведен по формуле
j - ускорения возвратно движущихся частей (из табл. 1.4)
Таблица 1.6.
| углы поворота вала, в град | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 90 | 100 | 120 | 140 | 160 | 180 |
| суммарные силы инерции X, в кг | +826 | +750 | +535 | +249 | -38.4 | -164 | -268 | -413 | -479 | -496 | -500 |
При работе двигателя суммарная сила, приложенная к центру поршневого пальца, представляет собой алгебраическую сумму силы P давления газов и сил инерции X поступательно движущихся частей:
Сила, приложенная к поршневому пальцу при работе кривошипно-шатунного механизма, может быть разложена на силу, действующую вдоль шатуна Рш, и силу, нормальную к оси цилиндра N. Сила Рш, действующая по шатуну и перенесенная к центру кривошипа, может быть разложена на силу тангенциальную Т и радиальную Z. Тангенциальная сила Т, действуя на радиусе r кривошипа, обеспечивает вращение коленчатого вала двигателя и развитие на нем крутящего момента Mкр. При вращении коленчатого вала от неуравновешенных вращающихся частей кривошипа возникает центробежная сила S, приложенная к центру шатунной шейки. Радиальная сила Z и центробежная сила S воспринимаются подшипниками коленчатого вала и создают соответствующую нагрузку на подшипники вала. Сила N, нормальная к стенке цилиндра, действуя на плече А от центра поршневого пальца до центра коленчатого вала, создает обратный крутящий момент Мобр, численно равный крутящему моменту Мкр двигателя. Обратный крутящий момент воспринимается от корпуса двигателя рамой автомобиля через детали подвески двигателя. Значения всех указанных сил периодически изменяются по своей величине и направлению за один полный оборот коленчатого вала. Нагрузка на подшипники определяется значениями максимальных и средних удельных давлений на шатунные и коренные шейки вала.
Рис. 1.4. Схема сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм двигателя
Наличие противовесов на валу двигателей, уравновешивающих центробежные силы инерции вращающихся частей двигателя, значительно разгружает коренные подшипники, снижая давление на них. При работе двигателя возникающие силы инерции X1 и Х2 первого и второго порядка возвратно движущихся частей, силы инерции S неуравновешенных вращающихся масс и обратный крутящий момент Мобр, воздействуя на детали и узлы двигателя и раму автомобиля, способствуют более быстрому расшатыванию сочленений и креплений и их разрушению.
Для устранения этих явлений используют способ уравновешивания свободных сил. В многоцилиндровых двигателях уравновешенность зависит от числа цилиндров, их расположения и от принятой формы расположения кривошипов вала. В двигателе М-20 силы инерции первого порядка и момент от этих сил полностью уравновешены. Силы инерции второго порядка неуравновешены и приводятся к равнодействующей
Вследствие наличия противовесов центробежные силы S в каждом цилиндре уравновешены. Момент от этих сил отсутствует и подшипники полностью разгружены от его действия.
