Работа двигателя в составе транспортного средства

При равномерном движении транспортного средства без изме-
нения положения управляющего органа крутящий момент, раз-
виваемый двигателем М_к (рис. 1.7), соответствует моменту сопро-
тивления дороги М_с (внешняя нагрузка).

С изменением внешней нагрузки М_с и неизменном положении
органа управления двигателем частота вращения коленчатого вала
^п и скорость движения автомобиля t>_a автоматически изменяются в
сторону сближения значений М_с и М_к.

Проанализируем работу двигателя при движении автомобиля
на одной передаче и постоянном положении органа управления
двигателем для различных дорожных условий

При движении по горизонтальному участку дороги значения
я = ^п\у ^va = ^va\ постоянны, а значения крутящего момента двигателя
и момента сопротивления дороги равны (М_к1- М_с]) в точке 1.

Когда автомобиль движется в гору, момент сопротивления до-
роги Л/с2 становится больше крутящего момента двигателя М_к1.
Поэтому двигатель уменьшает частоту вращения с щ до п_ъ пока
значения моментов вновь не станут равными (М_к2- М_с2 в точке 2).

При восстановлении движения по горизонтальному участку
дороги (Щг < М_к2) происходит возврат в исходное состояние —
частота вращения двигателя увеличивается до п = п_ь а Л/. - М_с1.

При движении под гору М_с уменьшается (М_с" М_к]) и* следо-
вательно, частота вращения коленчатого вала возрастает до дос-
тижения равенства моментов М_кЪ = М_сЪ (точка 3).

Во время эксплуатации транспортного средства двигатель зна-
чительное время работает в условиях неустановившихся (переход-

»a2 val ua3 Рис. 1.7. Анализ работы двигателя в составе транспортного средства

мс

n

%

ных) режимов, при которых его показатели и тепловое состояние
постоянно меняются во времени. Такие режимы возникают при
изменении мощности и частоты вращения, при разгоне и тормо-
жении транспортного средства двигателем и т.д. В этих условиях
показатели двигателя значительно отличаются от полученных на
установившихся режимах.

С учетом условий эксплуатации для каждой конкретной кате-
гории транспортных средств, можно определить совокупность наи-
более характерных режимов работы двигателей.

При движении автомобиля в городских условиях для двигателя
характерны относительно большие интервалы работы на режимах
разгона, торможения, частичных нагрузок и холостого хода.

При эксплуатации транспортного средства на междугородних
перевозках большую часть времени двигатель работает на устано-
вившихся режимах, близких к режиму номинальной мощности.

Контрольные вопросы

1. По каким параметрам классифицируют двигатели?

2. Опишите последовательность тактов и рабочих процессов четырех-
тактного бензинового двигателя.

3 Опишите последовательность тактов и рабочих процессов четырех-
тактного дизеля.

4. Что такое степень сжатия** Какие значения степеней сжатия у со-
временных двигателей с искровым зажиганием и дизелей?

5. Что такое угол опережения впрыскивания и для чего он необхо-
дим?

6. Что такое угол опережения зажигания и для чего он необходим?

7. Что такое свежий заряд и рабочая смесь?

8.Для чего необходим параметр «коэффициент избытка воздуха»? Дайте
определение коэффициента избытка воздуха.

9. Что такое бедная и богатая смесь? Каким параметром описывается
состав смеси?

10. Перечислите основные виды механических потерь в двигателе.

11- Перечислите основные виды тепловых потерь в двигателе.

12. Дайте определение КПД: индикаторного, механического и эф-
фективного. Как эти КПД связаны между собой?

13.Как взаимосвязаны экономические показатели двигателя?

14. Как взаимосвязаны мощностные показатели двигателя?

15.Сравните методы форсирования двигателей.

16. Сравните методы наддува двигателей.

17. Перечислите основные характеристики двигателя.

18. Расскажите о работе двигателя в составе транспортного средства
при изменении дорожных условий.

Глава 2
ТОПЛИВА И ИХ СВОЙСТВА

Состав и свойства топлив

В действительном цикле двигателя происходят физико-хими-
ческие превращения рабочего тела. В цилиндр двигателя поступает
свежий заряд — воздух или топливовоздушная смесь. Затем свежий
чаряд смешивается с оставшимися в камере сгорания остаточны-
ми газами, образуя рабочую смесь. В процессе сгорания при выделе-
нии теплоты рабочая смесь превращается в отработавшие газы
(ОТ). Окислителем при горении топлива является кислород ат-
мосферного воздуха. В качестве жидкого топлива для двигателя ис-
пользуют продукты переработки нефти — бензин и дизельное топ-
яиво, представляющие собой смеси различных углеводородов.
Могут применяться и другие виды топлива — сжатый и сжижен-
ный газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля,
сланцев, битуминозных песков; спирты; эфиры и др.

К топливам предъявляют следующие требования: максималь-
ное содержание химической энергии в единице объема и полнота
выделения теплоты; минимальное образование токсичных про-
дуктов; надежная подача топлива и высококачественное смесеоб-
разование в широком диапазоне изменения внешних условий, на
всех режимах работы двигателя, включая пуск; минимальная склон-
ность к образованию нагара и коррозионно-агрессивных продук-
тов сгорания; высокая термическая стабильность и хорошие мою-
щие свойства; стабильность свойств при хранении и транспорти-
ровании; отсутствие механических примесей и воды; возможно
малая пожароопасность; приемлемая стоимость.

Свойства топлив делятся на физико-химические и эксплуата-
ционные.

Физико-химические свойства характеризуют состояние и состав
топлива: плотность, поверхностное натяжение, вязкость, фрак-
ционный и химический состав.

Эксплуатационные свойства отражают необходимые энергети-
ческие, экономические и экологические показатели двигателей и
надежность их работы (воспламеняемость, испаряемость, антиде-
юнационные свойства, пусковые и низкотемпературные качества).

Бензины для автомобильных двигателей представляют собой
смеси углеводородов, которые выкипают в диапазоне температур
40...200 °С. В Российской Федерации производят бензины марок
А-76, АИ-93, АИ-95, АИ-98, а также бензины с улучшенными
экологическими свойствами. Цифры в марке бензина характери-
зуют его антидетонационные свойства, которые оценивают окта-
новым числом (04). Оно численно равно процентному содержанию
в смеси изооктана с 04 = 100 и Н-гептана с 04 = 0, которая имеет
такую же детонационную стойкость, как и испытуемый бензин.
Октановое число оценивают по моторному методу в единицах ОЧМ
и по исследовательскому методу в единицах ОЧИ. ОЧИ > ОЧМ на
8... 12 единиц. Эту разницу называют чувствительностью бензина
к октановому числу.

Наименьшей детонационной стойкостью обладают парафины,
наибольшей — ароматические углеводороды. Октановое число бен-
зина повышают добавкой в него низкокипягцих высокооктановых
углеродов или кислородосодержащих веществ — метидового спир-
та, метилтретбутилового эфира и других антидетонационных при-
садок (тетраэтилсвинца и тетраметилсвинца, а также металлокар-
бонатов, алкилгалогенидов). Применение присадок на основе свин-
ца ограничено в эксплуатации из-за их токсичности. При увеличе-
нии степени сжатия и диаметра цилиндра необходимо использо-
вать топливо с большим октановым числом.

Испаряемость бензинов определяется их фракционным соста-
вом и давлением насыщенных паров. Испаряемость влияет на пус-
ковые свойства двигателя при низких температурах, на склон-
ность к образованию паровых пробок в системе питания при вы-
соких температурах, а также на приемистость двигателя.

Прокачиваемость, склонность к образованию отложений, кор-
розионная активность являются важными эксплуатационными
свойствами бензинов.

Дизельные топлива для автомобильных и тракторных дизелей
производят из гидроочищенных фракций прямой перегонки не-
фти.

В Российской Федерации производят дизельное топливо, пред-
назначенное для использования при различных температурах
окружающего воздуха: JI — О °С и выше, 3 — минус 20 °Си выше;
А — минус 50 "С и выше.

Важными эксплуатационными качествами дизельного топлива
являются испаряемость, воспламеняемость, низкотемпературные
свойства.

Испаряемость дизельного топлива зависит от фракционного
состава, плотности и вязкости.

Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым чис-
лом (ЦЧ). Его определяют по объемному содержанию цетана
(ЦЧ = 100) в смеси с а-метилнафталином (ЦЧ = 0), которая при
испытании на одноцилиндровой установке имеет одинаковую вос-
пламеняемость с исследуемым топливом. Для быстроходных дизелей
ЦЧ = 45. Пусковые свойства дизеля улучшаются при повышении ЦЧ.

Приближенная связь между ОЧ и ЦЧ выражается зависимос-
тью: ЦЧ = 60 - ОЧ/2. Таким образом, топливо, обладающее высо-
ким ЦЧ (хорошей воспламеняемостью), имеют малое 04 (низ-
кую детонационную стойкость).

При снижении температуры до определенных значений дизель-
ное топливо мутнеет, из него начинают выпадать кристаллы угле-
водородов. При дальнейшем понижении температуры дизельное
топливо теряет способность проходить через фильтр с необходи-
мой скоростью. Далее оно застывает. Для улучшения низкотемпе-
ратурных свойств дизельное топливо очищают от парафиновых
"углеводородов и обогащают специальными присадками.

Газообразные топлива, применяемые в автомобильных двига-
телях, по агрегатному состоянию при нормальных условиях под-
разделяют на сжатые и сжиженные.

В сжатом газе (обычно это природный газ) до 95 % метана
СН4.

Сжиженные газы являются в основном продуктами переработ-
ки попутных газов и газов газоконденсатных месторождений. Они
содержат бутан-пропановые и бутилен-пропиленовые смеси, на-
■ ходящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии.
" Объемная теплота сгорания газов существенно меньше, чем жид-
ких топлив.

Основные достоинства газовых топлив в сравнении с бензино-
выми: вследствие высокой эффективности сжигания могут обес-
печить больший КПД; позволяют значительно увеличить степень
сжатия; обеспечивают надежный пуск при низких температурах;
удовлетворительные экологические свойства, обусловленные от-
сутствием свинца, оксидов металлов, ароматических углеводоро-
дов, низким содержанием серы.

Водород является перспективным топливом, которое обладает
наиболее высокой теплотой и температурой сгорания и образует
«чистые» продукты при сгорании, не считая оксидов азота. Пре-
пятствиями для применения водорода являются высокая стоимость
его получения, трудности с хранением и заправкой.

Кислородсодержащие соединения, применяемые в качестве топ-
лива для двигателей — спирты (метанол, этанол, пропанол), эфи-
ры и растительные масла. Наибольшее применение нашел мета-
нол, который получают из угля, сланцев, древесины, биомассы.
Октановое число спиртов больше, чем у бензинов, поэтому их
целесообразно применять в двигателях с искровым зажиганием.
Однако они обладают существенными недостатками: низкой теп-
лотой сгорания, коррозионностью, высокой теплотой испарения,
гигроскопичностью. Производные спиртов (метилтретбутиловый
)фир, диметиловый эфир) лишены этих недостатков.

Водотопливные эмульсии существенно снижают содержание
сажи и оксидов азота в отработавших газах, повышают эффектив-
ность дизельных топлив. Обычно используют эмульсии типа «вода
в топливе», в которых объемное содержание воды составляет

10 -..40 %. Эмульсии снижают температуру пламени и повышают
полноту сгорания благодаря улучшению смесеобразования топ-
лива с воздухом из-за «микровзрывов» капель воды. К недостат-
кам эмульсий можно отнести склонность к расслоению с топ-
ливом и невозможность их использования при низких темпера-
турах.

Синтетические топлива применяют как в чистом виде, так и в
качестве добавок к углеводородным топливам. Они могут быть
получены из каменного угля в виде синтетических бензинов и
дизельных топлив, метанола. Недостатки таких топлив — меньшая
теплота сгорания, большее содержание серы и соединений азота,
повышенная температура застывания.

2.2. Элементный состав рабочего тела
и продуктов сгорания

Окисление (сгорание) топлива. Элементный состав топлива пред-
ставляет массовые доли отдельных его составляющих. В одном ки-
лограмме топлива содержится: g_c углерода, g_H водорода, g_Q кисло-
рода. Связь между количеством исходных продуктов (топлива и
воздуха) и продуктов сгорания может быть найдена из уравнений
химической реакции.

Полное окисление углеводородного топлива предполагает полу-
чение конечных продуктов: диоксида углерода С0₂ и водяного
пара Н₂0. Минимальное количество кислорода, необходимое для
полного сгорания топлива, называют стехиометрическим. Коэф-
фициент избытка воздуха такой смеси а = 1.

При неполном окислении топлива часть углерода окисляется лишь
до СО (оксида углерода), а часть водорода не сгорает.

Стехиометрическое количество воздуха, необходимое для пол-
ного сгорания 1 кг топлива при 23 %-м по массе содержании кис-
лорода в воздухе, получим через элементный состав топлива:

 

Двигатели с искровым зажиганием работают при а = 0,7... 1,3, а
дизели — при среднем а > 1,5. Следует отметить, что при смесеоб-
разовании в дизелях есть зоны с а < 1, поэтому в процессе сгора-
ния может образовываться несгоревший углерод.

Состав продуктов сгорания. При а = 1 топливо должно сгорать
полностью, отработавшие газы содержать азот N₂ и продукты пол-
ного сгорания С0₂ и Н₂0, а при а > 1 — еще и избыточный кис-
лород 0₂.

При а < 1 отработавшие газы включают азот N₂, продукты пол-
ного (С0₂ и Н₂0) и неполного сгорания СО и н₂.

В продуктах сгорания также имеются и другие компоненты:
оксиды азота и серы, несгоревшие углеводороды, оксиды свинца
И др., количество которых в отработавших газах относительно мало,
и они не оказывают воздействия на энергетические показатели
двигателя, однако существенно влияют на его экологические ха-
рактеристики.

Экологические свойства топлив улучшаются при уменьшении
в них ароматических углеводородов и серы.

В дизелях при уменьшении а возрастают количество выделяю-
щейся теплоты и температура сгорания, что ведет к увеличению
образования NO_r. Рост содержания СО при приближении а к 1,
обусловлен ухудшением смесеобразования и неполнотой сгора-
ния. При больших значениях а рост СО связан с существенным
уменьшением скорости реакции и температуры сгорания, что
приводит к неполному окислению, несмотря на избыток 0₂.

В двигателях с искровым зажиганием при уменьшении а < 1,
увеличивается содержание СО и Н₂, а также несгоревших углево-
дородов С_ГН_У. Максимум NO_x достигается при некотором избытке
кислорода (а = 1,05... 1,1) и достаточно высокой температуре сго-
рания.

Теплофизические свойства топлив и их продуктов сгорания. Го-
рение топлива представляет собой экзотермическую реакцию,
которая идет с выделением теплоты. Высшая теплота сгорания
топлива Н_ь определяет полный тепловой эффект реакций с уче-
том конденсации водяных паров, образующихся при сгорании.
В поршневых ДВС продукты сгорания не охлаждаются до темпера-
туры, при которой происходит конденсация водяного пара. По-
этому в расчетах двигателя используют низшую теплоту сгорания
Н_и. Для двигателя с искровым зажиганием Н_и - 44 МДж/кг, для
дизеля Н_и = 42,5 МДж/кг.

Контрольные вопросы

1. Из каких элементов состоит топливо, используемое в двигателях?

2. Какие компоненты содержат продукты сгорания топлива при бога-
той и бедной смеси?

3. Что характеризует октановое число топлива? Какие 04 у бензинов,
используемых в двигателях с искровым зажиганием?

4. Что характеризует цетановое число топлива? Какое ЦЧ у дизельно-
го топлива"*

5. Какие значения а реализуют в дизелях?

6. Какие значения имеет а в двигателях с искровым зажиганием?

7 Какие значения низшей теплоты сгорания имеют бензин и дизель-
ное топливо?

Глава 3