КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ АВТОМОБИЛЯ И ДВИГАТЕЛЯ [1978 Фейгин З.Э., Гнатюк-Данильчук Р.П.

Теория автомобиля предполагает изучение его эксплуатационно-технических качеств: динамичности, емкости, надежности, экономичности, управляемости, устойчивости, проходимости и некоторых других.

Динамичность - это способность автомобиля перевозить груз с наибольшей средней скоростью. Емкость измеряется грузоподъемностью и пассажировместимостью. Надежность - способность автомобиля к длительной эксплуатации без поломок и значительного износа деталей. Экономичность определяется качеством потребляемого топлива и его расходом на 100 км пробега. Управляемость - это способность изменять направление движения при повороте управляемых колес; она оценивается также количеством работы, затрачиваемой водителем при управлении автомобилем. Устойчивость определяется способностью автомобиля двигаться по заданному направлению без опрокидывания или заноса. Проходимость оценивается способностью продолжать движение в трудных дорожных условиях.

Все эти эксплуатационные качества дают возможность производить сравнительную оценку различных моделей автомобилей. Наиболее важными качествами автомобиля являются динамические.

При движении на автомобиль могут действовать силы: тяговое усилие ведущих колес, сила сопротивления качению, сопротивления воздуха, сила сопротивления подъему и сопротивления разгону.

Силой тяги (тяговым усилием) называется сила реакции дороги; она зависит от крутящего момента, развиваемого двигателем, передаточного числа главной передачи и ее механического коэффициента полезного действия.

При движении автомобиля между шинами и дорогой создается трение, которое препятствует качению. Сопротивление качению оценивается коэффициентом сопротивления качению. Он зависит от класса дороги и вида шин. Средние значения коэффициента сопротивления качению для различных условий составляют: бетонные или асфальтобетонные покрытия - 0,012 - 0,015; асфальт - 0,020 - 0,025; грунтовая дорога - 0,023 - 0,030; глина, песок - 0,020 - 0,050.

Сила сопротивления воздуха зависит главным образом от скорости движения и формы автомобиля. Здесь особо важное значение имеет площадь, на которую действует встречный поток воздуха; она называется площадью лобового сопротивления. Площадь лобового сопротивления в квадратных метрах может быть приблизительно определена произведением высоты автомобиля на ширину колеи.

Сила сопротивления подъему - это часть массы автомобиля, направленная параллельно полотну дороги. Она определяется как произведение общей массы автомобиля на синус угла подъема. При движении под уклон происходит увеличение скорости, так как действие части силы массы, параллельной дороге, совпадает с тяговым усилием.

Сила сопротивления разгону представляет собой сопротивление сил инерции массы автомобиля разгону. При ускоренном движении автомобиля она направлена в сторону, противоположную действию силы тяги, а при торможении совпадает с ней по направлению.

Сила сцепления ведущих колес зависит от массы автомобиля, приходящейся на эти колеса, и, коэффициента сцепления. Сцепной вес составляет приблизительно 60 - 70% общей массы автомобиля. Величина коэффициента сцепления зависит от дорожного покрытия и его состояния. Средние значения коэффициентов сцепления для различных типов дорог приведены в табл. 1.

Таблица 1. СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ СЦЕПЛЕНИЯ НА РАЗЛИЧНЫХ ДОРОГАХ

Пробуксовка ведущих колес имеет место при плохом их сцеплении с дорогой. Это явление бывает, в том случае, когда тяговое усилие не обеспечивается сцеплением, т. е. когда окружное усилие ведущих колее больше, чем сила сцепления колес с дорогой. Поэтому для движения автомобиля необходимо, чтобы тяговое усилие было больше всех сил сопротивления движению и меньше силы сцепления ведущих колес с дорогой.

Теория двигателя. Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется крайнее верхнее положение поршня в цилиндре (рис. 1), нижней мертвой точкой (НМТ) - крайнее нижнее положение поршня.

Рис. 1. Схема кривошипно-шатунного механизма

Ходом поршня S называется расстояние между нижней и верхней мертвыми точками; он равен удвоенному радиусу, кривошипа, если оси цилиндров и коленчатого вала находятся в одной плоскости.

Камерой сгорания V_c называется пространство над поршнем, когда он находится в ВМТ. Пространство цилиндра между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра и обозначается V_h. Полный объем цилиндра V находится над поршнем при его положении в НМТ и равен сумме объема камеры сгорания и рабочего объема:

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью, сжатия ε;

Рабочий объем двигателя равен сумме рабочие объемов всех цилиндров. Взятый в кубических дециметрах (литрах), он выражает литраж двигателя. Рабочий объем одного цилиндра определяется по формуле

Например, для двигателя ВАЗ-2103 диаметр поршня равен 76, а ход поршня - 80 мм. Тогда

Рабочий объем двигателя, или литраж, равен, 362,73 4= 1,45 л. Зная степень сжатия и рабочий объем цилиндра, можно рассчитать объем камеры сгорания. ВАЗ-2103 имеет степень сжатия 8,8; тогда из формулы

Во время работы двигателя в цилиндрах осуществляется рабочий процесс, который состоит из повторяющихся периодов: впуска, сжатия, воспламенения, сгорания и выпуска. Совокупность этих периодов называют циклом работы двигателя. В четырехтактных двигателях легковых автомобилей рабочий процесс осуществляется за два оборота коленчатого вала.

Впуск. В этот период цилиндр наполняется смесью топлива с воздухом. В карбюраторных двигателях образование горючей смеси происходит в карбюраторе. В цилиндры из карбюратора поступает топливовоздушная смесь, состоящая примерно из одной части топлива на 15 частей воздуха.

В зависимости от весового количества рабочей смеси, поступающей в цилиндр, соответственно изменяется величина мощности, развиваемой двигателем. В цилиндр максимально может поступить рабочей смеси в количестве, равном полному его объему при давлении и температуре окружающего воздуха. Однако в цилиндр поступает меньшее количество смеси вследствие ее подогрева, наличия в камере сгорания оставшихся газов и сопротивления впускной системы.

Количество смеси, поступающей в цилиндр, характеризуется коэффициентом наполнения, который определяется как отношение массы действительного количества смеси в цилиндре к максимально возможному.

Величина коэффициента наполнения при полном открытии дроссельной заслонки колеблется от 0,75 до 0,9. На оборотах холостого хода она падает до 0,2.

Рис. 2. Фазы газораспределения двигателя BA3-2101: 1 - открытие впускного клапана; 2 - закрытие выпускного клапана; 3 - закрытие впускного клапана; 4 - открытие выпускного клапана

Сжатие. В этот период в двигателе создаются условия, при которых топливо используется наиболее эффективно; давление и температура повышаются тем больше, чем выше степень сжатия. В конце сжатия в цилиндре давление возрастает до 6 - 10 кгс/см², а температура смеси доходит до 350 - 450° С. При износе цилиндров, поршневых колец и клапанов давление сжатия понижается, что приводит к уменьшению мощности и экономичности, двигателя.

Сгорание. В карбюраторных двигателях этот период можно разделить на три этапа. Первый начинается с момента появления искры в свечах. Здесь не происходит повышения давления и температуры газов в цилиндре, но образуется очаг пламени. На втором этапе фронт пламени распространяется по всему заряду рабочей смеси - температура и давление значительно повышаются. На третьем этапе происходит окончание распространения пламени, сгорание и догорание уже воспламененной смеси.

Время первого этапа горения зависит от состава рабочей смеси ее температуры и давления в момент зажигания. Для того чтобы пламя распространилось по всему заряду смеси к моменту нахождения поршня в ВМТ, зажигание должно происходить раньше, с расчетом, чтобы первый период заканчивался в момент прихода поршня в ВМТ, т. е. должно быть опережение зажигания.

Опережение зажигания измеряется углом поворота коленчатого вала, который определяет положение поршня до ВМТ, в момент начала зажигания. Угол опережения начала зажигания устанавливается в зависимости от оборотов коленчатого вала и нагрузки двигателя.

Важнейшим фактором, определяющим мощность двигателя и его топливную экономичность, является скорость сгорания рабочей смеси. При нормально работающем двигателе скорость сгорания равна 20 - 30 м/с. Иногда сгорание может происходить со скоростью распространения фронта пламени более 2000 м/с, Это явление называют взрывным, или детонационным горением. Внешними признаками детонации являются: перегрев двигателя и падение мощности, неустойчивая его работа, выхлоп черного дыма или искр, резкие металлические стуки в цилиндрах. Детонация возникает чаще всего в момент окончания горения рабочей смеси.

Выпуск отработавших газов подразделяется на три периода. В первый период выпуск газов происходит из-за перепада давления внутри цилиндра и выпускного коллектора, так как выхлопной клапан открывается до прихода поршня в НМТ. Во втором периоде газы выталкиваются при движении поршня к ВМТ. В третий период газы выходят по инерции, так как закрытие выпускного клапана происходит после прихода поршня в ВМТ.

Фазы газораспределения. Это моменты начала открытия и конца закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала. На рис. 2 изображена диаграмма фаз газораспределения двигателя ВАЗ-2101. Из нее видно, что открытие впускного клапана происходит за 12° до прихода поршня в ВМТ. При этом клапан к началу впуска немного приоткрыт.

Закрытие впускного клапана начинается тогда, когда поршень переходит НМТ и. движется к ВМТ, т. е. с запаздыванием. У двигателя ВАЗ-2101 это происходит, когда коленчатый вал повернется на 40° после НМТ.

Выпускной клапан открывается с опережением, когда поршень не дошел до НМТ на 42°. Закрывается он с запаздыванием, когда поршень пройдет ВМТ на 10° поворота коленчатого вала.

Из рис. 2 видно, что в момент окончания выпуска и начала впуска на 22° угла поворота коленчатого вала открыты оба клапана. Этот угол называется углом перекрытия клапанов.

Таблица 2. СУММА СБОРА С ВЛАДЕЛЬЦЕВ АВТОМОБИЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ НАЛОГОВОЙ МОЩНОСТИ

Примечание. За автомобили, приобретенные во втором полугодии, взимается плата в половинной сумме.

Налоговая мощность двигателя. Каждый владелец автомобиля платит налог за транспортное средство, сумма которого устанавливается по налоговой мощности двигателя (табл. 2), Налоговая мощность является условной и зависит только от величины рабочего объема цилиндра двигателя. Она рассчитывается по формуле

Если известен рабочий объем двигателя, можно пользоваться формулой

Тепловой баланс двигателя. Не вся тепловая энергия, выделяемая при сгорании топлива, используется в двигателе для выполнения полезной работы, Происходит распределение количества теплоты на полезную работу и на различные потери - это и составляет тепловой баланс двигателя.

Тепло, превращенное в полезную работу, есть эффективный кпд двигателя.

Кроме налоговой мощности и теплового баланса двигатели характеризуются также средним индикаторным давлением и индикаторной мощностью, эффективной мощностью, крутящим моментом, эффективным удельным расходом топлива и эффективным кпд, литровой мощностью, скоростной характеристикой по нагрузке. С этими характеристиками двигателя можно познакомиться в специальной литературе.

Совершенствование конструкций двигателей в настоящее время идет по пути повышения литровой мощности, улучшения топливной экономичности, уменьшения габаритных размеров, снижения удельной массы и увеличения моторесурса.

Разрабатываются и производятся перспективные двигатели с турбонаддувом, газотурбинные, непосредственным впрыском легкого топлива И принудительным воспламенением, с факельным зажиганием, роторно-поршневые, многотопливные и другие.