Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ВВЕДЕНИЕ
Развитие техники с начала XX столетия является настолько динамичным и обширным, что его можно характеризовать как грандиозное. Однако, как и любой прогресс, это развитие приносит с собой определенные проблемы для будущих поколений. В первую очередь необходимо осознать, что запасы сырья и источников энергии являются весьма ограниченными — это подтвер- ждается самой жизнью во второй половине нашего века.
Одним из наиболее распространенных видов современной техники является автомобиль. Предлагаемая книга ставит задачу обратить внимание читателей на то, каким образом этот вид техники воздействует на использование природных источников энергии и каковы перспективы развития автомобильного транспорта.
Первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания появился около 100 лет назад. Однако механические транспортные средства, снабженные паровым двигателем, — самопередвигающиеся тележки с паровой машиной, были известны еще за 100 лет до изобретения двигателя внутреннего сгорания. Паровые двигатели в то время были несовершенны, прогресс их был постепенным и в известном смысле односторонним, поскольку использование энергии пара в первую очередь предназначалось для передвижения по железной дороге. В то же время нужно отметить, что первым автомобилем, достигшим скорости 200 км/ч, был автомобиль Стенли с паровым двигателем, установивший этот рекорд в 1906 г. на побережье Флориды.
Уже в начале развития паровых двигателей стало ясно, что наряду с самим двигателем таким же важным является совершенствование котла. Широко применявшееся топливо — древесина — оказалось невыгодным, и началась эра использования ископаемого -топлива — угля.
Со временем паровая машина уступила место двигателю внутреннего сгорания. Использующий жидкое топ- 8
лнво, он хорошо зарекомендовал себя для привода транспортных средств. Возникающая при сгорании высокая температура — выше точки плавления используемых конструкционных материалов — позволяла достичь хорошего КПД и создать двигатель небольших размеров и массы, что важно прежде всего для его применения в автомобиле.
Прогресс в развитии двигателей внутреннего сгорания проходил ускоренными темпами, и сегодня этот двигатель применяется практически во всех типах транспортных средств. У локомотивов он заменил паровую машину, авиация обязана бензиновому двигателю своим возникновением.
Благодаря развитию техники совершенствовался и расширял свои масштабы транспорт, что вызвало быстрое увеличение производства транспортных средств, в первую очередь автомобилей. Одновременно увеличивалось и потребление жидкого топлива, вырабатываемого из нефти. Добыча и переработка нефти не представляли трудностей, и поэтому бензин и другие производные нефти были Дешевым топливом. Однако запасы нефти не являются неисчерпаемыми.
Поскольку равноценная замена нефти в достаточном количестве отсутствует, то во всем мире широко развернулись интенсивные исследования, направленные на поиск новых видов энергии и топлива. Возникший нефтяной кризис проявился прежде всего в автомобильной промышленности. В этих условиях многие страны поняли свою зависимость от нефти и невозможность заменить ее другим жидким топливом, пригодным для использования в применяемых до сих пор двигателях внутреннего сгорания. Крайне необходимые решения ряда важных вопросов связаны со снижением потребления бензина и других видов топлив, вырабатываемых из нефти.
Данная книга содержит некоторые рекомендации по снижению потребления бензина и нефти уже в настоящее время и дает анализ возможных решений этой задачи в будущем, когда ископаемые запасы топлив будут исчерпаны. Основная сложность энергетической проблемы состоит в наблюдающемся повышении удельного потребления энергии на одного человека при быстрых темпах роста населения Земли.
Не менее важным является вопрос сохранения жизненной среды нашей планеты.
Двигатели внутреннего сгорания загрязняют воздух отработавшими газами, которые содержат вредные для здоровья человека и всего живого составляющие. Так как автомобили в значительной степени повинны в таком загрязнении, книга рассматривает также и этот аспект.
Проблему экономичного потребления топлива современным автомобилем и ряд других вопросов, которые являются предметами данной книги, невозможно подробно проанализировать в рамках одной публикации, поэтому в книге часто указывается лишь причина того или иного недостатка и возможные пути его устранения.
Каждый читатель может внести вклад в решение вопросов уменьшения потребления топлива и защиты окружающей среды, будь он конструктором автомобиля или его пользователем. Ясно одно — решение этих вопросов важно для будущего всего человечества и требует работы каждого члена общества уже сейчас.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ В МИРЕ
Современный человек постоянно требует все большего количества энергии для личного потребления. Древний обитатель Земли не нуждался в таком большом количестве энергии и обходился собственной — биологической. Только постепенно переходя со ступени на ступень своего развития, он почувствовал недостаток энергии и начал использовать ее наиболее доступные виды — энергию воды и ветра, источником которых, как и всей энергии на Земле, является Солнце.
Для транспорта прежде всего использовались водные потоки, а с ними — плоты, лодки, парусники. Парусный корабль представляет собой наиболее древнее транспортное средство, использующее энергию ветра. Для размола зерна использовались водяные и ветряные мельницы.
С ускорением прогресса увеличивалось и потребление энергии. Речь идет прежде всего о тепловой энергии, т. е. об использовании природного древесного сырья, которое было легко доступно и еще в 1850 г. являлось источником более 90 % энергии, потребляемой для отопления и приведения в движение различных машин.
Постепенно начался переход к ископаемым топливам. Так, в начале XX в. уголь был источником 76 % всей получаемой и потребляемой человечеством энергии. Дальнейшее, притом весьма существенное, расширение при- 10
Рис. 1. Распределение потребления нефти в Западной Европе (а) и США (6) по секторам экономики: / — транспорт; 2 — бытовое потребление, обслуживание, торговля; 3 — химия;
4 — промышленность; 5 — пронзвддство газов и преоб. разорение в электрическую энергию; 6 — лрочне потребители
меняемых видов топлива ознаменовалось использованием нефти и природного газа. Эти виды ископаемого топлива содержат в единице массы значительное количество энергии и поэтому являются особенно ценными для всех видов транспортных средств.
Ископаемые топлива, которые природа создавала миллиарды лет, добываются со все большей интенсивностью. Лишь недавно человечество осознало, что запасы этих топлив будут исчерпаны уже в обозримый период: уголь через несколько сот лет, а нефть и природный газ — уже через несколько десятилетий.
По этой причине необходимо уже сейчас начать активные поиски замены этим видам топлива. Распределение потребления нефти по определенным отраслям показано на рис. 1.
При сжигании топлива часто возникают вредные вещества, концентрация которых в воздухе в густонаселенных и промышленно развитых областях уже сегодня достигает опасных для здоровья человека величин. Внимание сосредоточивается прежде всего на окиси углерода СО, токсичных углеводородах СНХ и окислах азота NOx- Содержание этих веществ в атмосфере контролируется, и поэтому существуют предписываемые максимально допустимые нормы их присутствия в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, особенно устанавливаемых на автомобилях. Эти требования к чистоте отработавших газов становятся все более жесткими и оказывают значительное влияние на дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания.
В этой связи повысился интерес к экологически чистым источникам энергии, которые могли бы в будущем «заменить природные ископаемые топлива. Источником такой чистой энергии прежде всего является Солнце. Солнечная энергия, падающая на квадрат земной поверхности со сторонами 200 км, может покрыть все энер-
гетические потребности человечества с учетом их постоянного роста. В связи с этим интенсивно разрабатываются проблемы прямого использования солнечной энергии всеми средствами.
Повсеместно начался процесс экономии энергии и В домашнем хозяйстве. Растет интерес к использованию в жилых и промышленных помещениях подогрева воды в солнечных коллекторах. Так как солнечное освещение не беспрерывно, то этот метод применяется как дополнительный к классическому центральному отоплению. И хотя по сравнению с другими отраслями расход нефти и газа в домашнем хозяйстве не так велик, этот метод позволяет достичь известной экономии топлива.
При использовании солнечного излучения для более крупных объектов лучи сосредоточивают с помощью больших рефлекторов, а в фокусе помещают объем с теплоносителем или непосредственно котел, пар которого используется по классической схеме электростанции.
Тщательно изучаются и исследуются также и способы прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Этот способ уже сейчас широко используется на искусственных спутниках Земли. Существуют реальные проекты создания солнечной электростанции в космическом пространстве и передачи выработанной электроэнергии на Землю с помощью микроволнового излучения. Подробнее об этих проектах будет рассказано в последующих главах.
Переход на экологически чистые источники энергии будет продолжаться много лет. Однако необходимо учесть, что ни один из этих источников невозможно применить непосредственно для передвижения автомобиля и получаемую из них энергию нужно предварительно преобразовать в приемлемую форму и соответствующим способом аккумулировать. Стоимость природных ископаемых топлив будет постоянно увеличиваться и поэтому необходимо искать их заменители, приемлемые для использования в существующих двигателях внутреннего сгорания без значительного изменения их конструкций. При этом надо учитывать постоянное увеличение числа автомобилей, находящихся в эксплуатации.
Сокращение до минимума потребления нефти как топлива является одной из мер, способствующих замедлению процесса исчерпания ее ресурса. Поэтому предлагаемая книга ставит целью обратить внимание читателей на 12
Рис. 2. Использование энергии топлива др и движении автомобиля в условиях городаРис. 2. Использование энергии топлива др и движении автомобиля в условиях города
Рис. 2. Использование энергии топлива др и движении автомобиля в условиях города
Рис. 2. Использование энергии топлива др и движении автомобиля в условиях города
возможные пути, позволяющие повысить топливную экономичность транспортных средств. При этом главное внимание уделяется двигателю. Современные двигатели внутреннего сгорания непосредственно для преобразования в полезную мощность используют, образно говоря, только 1/3 общего количества топлива, имеющегося в баке, а остальное исчезает в виде тепловых потерь в окружающее пространство. Так как автомобильный двигатель большей частью работает с неполной нагрузкой, процент использования выделяющейся при сгорании топлива теплоты будет даже меньше 20 %. Использование энергии топлива изображено на рис. 2.
Автомобильный двигатель прошел длительный путь развития и с технической точки
зрения является весьма совершенным. Однако до настоящего времени наибольшее внимание в процессе его со-
вершенствования уделялось до
стижению максимальной мощности, малой массы и раз
меров двигателя, минимальных производственных затрат. Теперь на первый план как важнейший критерий оценки двигателя выступает минимизация потребления им топлива. Снижения потребления топлива достичь непросто, и, кроме того, оно может оказывать неблагоприятное влияние на другие параметры двигателя. В отдельных главах книги подробно рассматриваются принципы работы двигателей внутреннего сгорания, их конструкции, причины больших тепловых потерь, а также возможные пути максимального извлечения энергии топлива за счет сни
жения этих потерь.
Так называемую эффективную, т. е. «чистую», имеющуюся на валу мощность двигателя надо использовать
1. План перспективного улучшения технико-экономических характеристик автомобиля «Фольксваген», %
Параметры
1978 г.
1982 г. c,.S « 0,77
1988 г. С,.$ 0,6
Снаряженная масса автомобиля
100
83
83
Мощность двигателя
100.
96
78
Разгон автомобиля
100
91
106
Расход топлива
100
94
82
Энергия, потребляемая на производство автомобиля
100
112
И2
Эксплуатационные затраты при пробеге автомобиля 120 000 км
100
96
85
* сж — коэффициент аэродинамического сопротивления; S — площадь фронтальной проекции автомобиля.
как можно более экономно. Поэтому мы подробно покажем процесс передачи мощности на колеса и потери при движении по дороге. В каждом зацеплении шестерен, пробуксовке сцепления, в каждом подшипнике, шарнире или шине теряется энергия, превращающаяся в теплоту. Температура шины при движении автомобиля достигает 100 °C; эта теплота образуется вследствие внутреннего трения в боковинах пневматика. Легковой автомобиль среднего класса при скорости 100 км/ч на преодоление этого трения затрачивает 4—6 кВт — величину, достаточную для отопления небольшой квартиры. Еще боль- щая мощность требуется на преодоление сопротивления воздуха. Из-за того, что при движении автомобиля возникают вихревые воздушные потоки, при скорости 100 км/ч . на преодоление сопротивления воздуха • требуется 17—18 кВт — в 3 раза больше, чем на преодоление сопротивления качению. В табл. 1 показан план перспек- тизного улучшения энергетических и технико-экономических характеристик автомобиля «Фольксваген», ФРГ.
Около 45 % всей энергии в мире вырабатывается из нефти, ежегодное потребление которой составляет 3 млрд, т, а мировые запасы — около 135 млрд. т. Распределение этих запасов по отдельным странам показано далее в табл. 19. Наибольшими запасами нефти, по данным 1980 г„ обладает Саудовская Аравия — около 22,3 млрд.т, 14
на втором месте СССР — 9,1 млрд, т Ч В связи с постоянно увеличивающимся числом автомобилей довольно скоро наступит равновесие между потребностью и производством, что может вызвать серьезное ограничение транспорта и быстрое повышение цен на топливо. И хотя интенсивные геологические поиски постоянно открывают новые месторождения нефти, последние расположены в основном на больших глубинах или под дном океанов. Разработка таких месторождений является чрезвычайно дорогостоящей.
Значительные запасы нефтяных фракций содержатся в горючих сланцах и песках. Путем их нагревания до 500 °C выделяют продукт, содержащий около 80 % нефти. Добыча сланцев вызывает, однако, нарушение ландшафта на больших территориях, а при их нагревании в воздух попадает много вредных веществ.
Еще одним способом выработки нефтепродуктов и бензина является ожижение угля. Этот метод известен уже давно и применялся в конце второй мировой войны в Германии, где на 12 заводах производилось таким способом около 4 млн. т бензина в год. Работы по ожижению угля продолжаются, и фирма ФЕБА в ФРГ строит завод, рассчитанный на ожижение 600 т угля в день. Из 3 т угля, с учетом потребляемой энергии, получают 1 т жидкого продукта, состоящего из 25 % бензиновых* фракций и 75 % тяжелых и средних нефтяных фракций, а также 0,4 т горючего газа.
В табл. 2 показано, какую долю первичной энергии угля можно извлечь, вырабатывая из него различные виды
2. Преобразование энергии из угля
Получаемый энергоноситель
•
Выход из угля" %
КПД заправки автомобиля энергоносителем. %
кпд двигателя, %
Общий кпд-
Водород
55
90 *
33
16,3
Мета иол
49
95
28
13,0
Бензин
45
95
25
10,7
Электрическая энергия
30
49
80
11,8
* В виде гидридов металлов.
1 Оценка зарубежных экспертов. — Примеч. ред.
топлив. При этом отдельно приводятся эффективность процесса преобразования химического состава угля, КПД заправки (учитывающий потери энергоносителя при его доставке и заправке в автомобиль), а также КПД использования энергоносителя в двигателе внутреннего сгорания. В случае получения бензина для движения автомобиля используется 10,7 %, в случае получения водорода— 16,3 % энергии затраченного для этих целей угля. Для сравнения приводится и преобразование энергии из угля в электрическую с использованием ее в электромобиле с помощью свинцовых аккумуляторов.
Проблема экономного расходования энергии не исчезнет и тогда, когда осуществится переход на использование экологически чистых ее источников. Энергию будут аккумулировать и снова возвращать в рабочий цикл. При помощи специальных устройств будет накапливаться и энергия, потерянная при торможении. Точно также будет аккумулироваться и использоваться вне автомобиля теплота, теряющаяся при охлаждении двигателя.
МИНИМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, НЕОБХОДИМАЯ ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ
Для экономного расходования энергии прежде всего нужно выяснить минимальное ее количество, требующееся для преодоления сопротивлений движению, и сравнить его с реально потребляемой энергией. Речь идет о: сопротивлении качению;
сопротивлении воздуха (аэродинамическое сопротивление);
сопротивлении при подъеме;
сопротивлении при ускорении автомобиля.
СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЧЕНИЮ
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; снижению массы автомобиля будет посвящена специальная глава.
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 Pt рассчитывается по формуле
Pi = QL
где <2 — нагрузка; / — коэффициент трения качения.
0,01 0,0150,02 0,0250,05 0,1 0,15—0,350,01 0,0150,02 0,0250,05 0,1 0,15—0,35Ниже приведены значения коэффициента /, которые действительны для качения шины колеса по поверхности дороги с различным покрытием и для других движителей:
0,01 0,015
0,02 0,025
0,05 0,1 0,15—0,35
0,01 0,015
0,02 0,025
0,05 0,1 0,15—0,35
Асфальтобетон
Бетон, мелкая брусчатка
Гравийное укатанное с дегтевой пропиткой
Щебеночное
Грунтовое укатанное
Грунтовое размокшее
Пахота
. 0,07—0,15. 0,15. 0,30 0,001—0,002. 0,07—0,15. 0,15. 0,30 0,001—0,002Гусеничный движитель: на пахоте на укатанном снегу на рыхлом снегу . . .
. 0,07—0,15
. 0,15
. 0,30 0,001—0,002
. 0,07—0,15
. 0,15
. 0,30 0,001—0,002
Стальное колесо на рельсе
Значения первых семи коэффициентов зависят также от давления в шине и ее типа, о чем будет сказано ниже.
В приближенных расчетах можно допускать, что коэффициент сопротивления качению с изменением скорости автомобиля не меняется. Наименьшее сопротивление ка- чению имеет стальное колесо на рельсе, наибольшее — гусеничный движитель на рыхлом снегу. Чем меньше деформация поверхности, тем меньше сопротивление ка- чению.
ЭГ.2. ВЛИЯНИЕ ПОДРЕССОРИВАНИЯ
НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ
При движении по неровной дороге сопротивление качению зависит от жесткости амортизирующего элемента.
Если на поверхности дороги возникает препятствие высотой Л (рис. 3) 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 масса М жестко соединена с осью. В этом случае для преодоления
Рис. 3. Наезд колеса на препятствие высотой йРис. 3. Наезд колеса на препятствие высотой йпрепятствия необходима такая вертикальная сила V, которая способна поднять массу М на высоту к. 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 к. Необходи
Рис. 3. Наезд колеса на препятствие высотой й
Рис. 3. Наезд колеса на препятствие высотой й
мая величина вертикальной силы зависит от угла наезда а и рассчитывается по формуле V = Я tg а. 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.
Если масса М опирается на пружину F и колесо снабжено упругой шиной, то исчезает необходимость подъема колеса и массы М на высоту препятствия к. 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.
На 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 малой1 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 жесткого колеса на деформируемом покрытии имеет иной характер, чем на твердой поверхности, и определяется по формуле
f = (1 - 0,75) /h/D.
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.
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического-сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле
Ро = Sx?-^-cs,
где S — площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; и — скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; р — плотность воздуха, кг/м3; сх — коэффициент аэродинамического сопротивления (1).
Мощность двигателя, необходимая для .преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:
= 3600 (к®т)>
где и — относительная скорость движения автомобиля, км/ч..
Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из табл. 3, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.
Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину сх оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.
При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.
На рис. 4 показано изменение мощностей, необходимых для преодоления сопротивления качению Nf и аэродина-
Рис. 4. Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению. Масса автомобиля 1350 кг, площадь фронтальной проекции автомобиля S = 2 м2, коэффициент сопротивления качению / = 0,015, коэффициент аэродинамического сопротивления сх = 0,456.
3. Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей
Кузов автомобиля
Коэффициент со- протн. влення воздуха сх
Мощность, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, кВт, при площади фронтальной проекции кузова 2 м2 и скорости
40 км/ч
80 км/ч
120 км/ч
Открытый четырех-
0,7—0,9
1,18—1,47
9,6—11,8
31,0—40,5
местный
Закрытый, с наличи-
0,6—0,7
0,96—1,18
8,0—9,6
26,4—30,8
ем углов и граней Закрытый, с закруглением граней
0,5—0,6
0,80—0,96
6,6—8,0
5,2—6,6
22,0—26,4
17,6—22,0
Закрытый понтоно-
0,4—0,5
0,66—0,08
образный
Закрытый, хорошо об-
0,3—0,4
0,52—0,66
3,7—5,2
13,2—17,6
текаемый
Закрытый, аэродинамический совершен-
0,2—0,25
0,33—0,44
2,6—3,3
9,8—11
иый
Грузовой автомо-
0,8—1,5
—
би ль Автобус
0,6—0,7
—
—
——
Автобус с хорошо обтекаемым кузовом
0,3—0,4
0,6-0,7
——
Мотоцикл
—
мического сопротивления MD в зависимости от скорости и для автомобиля среднего класса. При скорости 60 км/ч мощности, необходимые для преодоления сопротивления качению и аэродинамического сопротивления, равны, что характерно для данного вида автомобилей. По сумме потребляемых мощностей можно убедиться в важном значении аэродинамического сопротивления. При скорости 80 км/ч мощность, затрачиваемая на его преодоление, в 4 раза больше, чем при скорости 40 км/ч, а при скорости выше, чем 120 км/ч, общая мощность, необходимая для движения, растет почти пропорционально кубу скорости автомобиля.
При определении мощности двигателя, необходимой для достижения максимальной скорости, большей той, которую обеспечивает номинальная мощность установленного на автомобиле двигателя, можно использовать без значительной ошибки следующее соотношение:
где V2 — требуемая мощность, кВт; Nt — достигнутая максимальная мощность, кВт; у2 — требуемая скорость, ' км/ч; »! — достигнутая максимальная скорость, км/ч.
Через точку X — максимальная мощность NT при максимальной скорости vt — проведена кривая зависимости мощности от куба скорости. Разница между этой кривой и линией мощности, требуемой для движения при максимальной скорости, незначительна.
Показанная сумма мощностей сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления NT представляет собой мощность сопротивления равномерному движению автомобиля по горизонтальному участку дороги при безветрии.
СОПРОТИВЛЕНИЕ
ПРИ ДВИЖЕНИИ НА ПОДЪЕМЕ
При движении на подъеме необходимо преодолеть составляющую силы тяжести автомобиля: Ps = Q sin а, где Q — сила тяжести; а — угол подъема, град.
Мощность двигателя, требуемая для преодоления этого сопротивления:
^* " 3600 ’ (к®т)’
где у — скорость автомобиля, км/ч.
Величина этого сопротивления не зависит от конструкции автомобиля.
СОПРОТИВЛЕНИЕ
ПРИ УСКОРЕНИИ АВТОМОБИЛЯ
Чтобы скорость автомобиля увеличилась, необходимо придать ему ускорение. Мощность, которая имеется для обеспечения ускорения, представляет собой разность между мощностью, требующейся при данных условиях для преодоления сопротивления движению, и мощностью, подводимой к ведущим колесам. Условия движения автомобиля показаны на рис. 5, где изображено изменение максимальной мощности, передаваемой от двигателя на задние ведущие колеса, при включенной четвертой (IV) или третьей (III) передаче в зависимости от скорости автомобиля. Прямой линией нанесена мощность Nf, необходимая для преодоления сопротивления качению, к кото- 22
рой прибавлена мощность N„, затрачиваемая на аэродинамическое сопротивление. При этом принято, что движение происходит с постоянной скоростью. Кривой 0 % показана мощность, необходимая для движения по горизонтальной дороге. Помимо
нее Приведены Кри- Рис. 5. Мощностной баланс автомобиля вые полной мощно
сти, требуемой при движении на подъемах с уклонами 2, 5, 10, 15 и 20 %, а также на спуске с уклоном —2 %. При скорости 100 км/ч на горизонтальном шоссе необходима мощность NR, так что при движении на четвертой передаче имеется запас мощности А^, достаточный для преодоления подъемов около 8 % при постоянной скорости автомобиля. При езде по горизонтальному участку этот запас мощности может быть использован для уско
рения автомобиля.
При движении на третьей передаче с той же скоростью 100 км/ч запас мощности увеличился бы с 30 до 44 кВт. При езде накатом (с отключенным двигателем) на спуске с уклоном 2 % автомобиль достиг бы постоянной скорости 50 км/ч.
Приведенная диаграмма показывает зависимости отдельных составляющих от скорости при равномерном движении автомобиля. В случае переменной скорости влияние каждой йз этих составляющих будет иным.
Ускорение автомобиля, которое может быть достигнуто, рассчитывается по формуле
а = F/Qr, (м/с2),
где F — избыточная величина движущей силы; Qr — масса автомобиля (с приведением всех вращающихся масс к диаметру колеса), кг.
Чем автомобиль легче, тем большее ускорение удается развить при одинаковой мощности двигателя.
Аэродинамическое сопротивление не зависит от массы автомобиля. Площадь фронтальной проекции автомобиля
определяется формой кузова и требованиями по обеепече- нию комфортного расположения водителя и пассажиров на сиденьях. Например, автомобиль большого класса может быть-ниже, чем малого, так как сиденья у него зачастую располагаются ниже. У Автомобиля малого класса из-за его небольшой массы и длины сиденья расположены выше над полом, и поэтому расстояние между передними и задними сиденьями меньше. Более прямое расположение водителя и пассажиров в автомобиле малого класса требует его большей высоты, но меньшей длины. Площади фронтальных проекций обоих автомобилей при этом почти одинаковы, но низкий и длинный кузов автомобиля большого класса аэродинамически более выгоден.
МАЛАЯ МАССА АВТОМОБИЛЯ
Снижение массы у небольших автомобилей благоприятно сказывается на уменьшении сопротивления качению, а также сопротивлений при движении на подъеме и при ускорении, но не оказывает влияния на величину аэродинамического сопротивления. На рис. 6 приведены результаты расчета мощностей сопротивления качению и аэродинамического сопротивления для одного и того же автомобиля, но в одном случае — со сниженной наполовину массой, а в другом — с уменьшенным также вдвое аэродинамическим сопротивлением.
В обычном варианте, без уменьшения массы и аэродинамического сопротивления, для достижения скорости 140 км/ч автомобиль должен развить мощность на ведущих колесах, равную 40 кВт (см. рис. 4). Если его масса снижена наполовину, то для достижения этой скорости требуется уже. 36,1 кВт (кривая на рис. 6). Кроме того, значительно улучшаются характеристики разгона и преодоления подъемов. Уменьшая массу автомобиля, можно получить еще целый ряд преимуществ: снижение стоимости производства, уменьшение размеров и удешевление шин, улучшение распределения нагрузки и т. д.
Наибольшие преимущества от снижения массы проявляются при малых скоростях, когда из всех видов сопротивления движению преобладает сопротивление качению. В этом случае сопротивление качению и аэродинамическое сопротивление равны уже при скорости 40 км/ч. Относительно^ снижение мощности, требующейся при дви- 24
Рис. 6. Мощность, затрачи- ^квт ваемая. на преод тивлений движ< 5 - ^ + ^ с параметрами, щими указанным
уменьшенной на 5-^ + %, с улучшенными динамическими ками; 6 — /V; 7
жении по горизонтальной дороге, показано кривой 2 на рис. 6.
При скорости 10 км/ч экономится 64,6 % требуемой от двигателя мощности и даже при скорости 140 км/ч — все еще 9,7 %. При скорости 70—80 км/ч, т. е. при так называемой крейсерской скорости, в случае движения по шоссе, экономия затрат мощности двигателя составляет 26—30 %.
Преимущества, получаемые при уменьшении аэродинамического сопротивления на 50 %, показаны кривой /. При скорости 10 км/ч снижение требуемой мощности составляет только 0,9 %, тогда как при 140 км/ч — более 40 %. При скоростях 70—80 км/ч экономия энергетических затрат, как и в случае снижения массы, составит 25—29 %. Динамические качества автомобиля повысятся только на больших скоростях движения, когда аэродинамическое сопротивление является преобладающим. Способность к преодолению подъемов не изменится. При высоких скоростях автомобиля уменьшение суммарного сопротивления движению приближается к 50 %. Характер изменения сопротивления в этом случае показан кривой 5. При совершенствовании автомобиля обычно стараются улучшать его массовые и аэродинамические характеристики одновременно.
ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ
ОТ ДВИГАТЕЛЯ К ВЕДУЩИМ КОЛЕСАМ
Передача мощности с маховика двигателя на ведущие колеса сопровождается потерями. Вначале это потери, вызываемые пробуксовкой в сцеплении. Во фрикционном
сцеплении они, однако, незначительны и ими можно пренебречь, в то время как при использовании гидродинамических муфт и трансформаторов эти потери достигают довольно больших величин.
Потери в коробке передач зависят от того, какая передача включена. Если используется четырехступенчатая коробка передач с прямой передачей, то в случае ее включения (обычно это IV ступень) потери ограничиваются расходом мощности на перемешивание масла в картере коробки передач при вращении промежуточного вала и на привод масляного насоса (если он соединен с коробкой передач). На других передачах потери зависят главным образом от общего числа зацеплений шестерен, через которые передается крутящий момент. Кроме этого, на потери влияют вязкость и температура масла, расстояние от шестерен до стенок картера коробки передач. Муфты синхронизаторов в отдельных случаях также могут являться причиной значительных потерь мощности.
Температура масла в картере коробки передач часто достигает 100 °C и является в определенном смысле показателем потерь. У автоматических коробок передач потери возрастают. Главными источниками потерь при этом являются гидромуфты и гидротрансформаторы. Гидродинамическая муфта не изменяет передаваемый момент, и поэтому ее пробуксовка свидетельствует о прямых потерях мощности. 10 %-ное буксование вызывает снижение КПД гидромуфты до 90 %.' Для отвода теплоты от гидромуфты ее корпус выполняют с оребрением. Однако следует заметить, что гидродинамическая муфта не может передавать крутящий момент без пробуксовки и поэтому использование такого сцепления всегда связано с известными потерями мощности. В связи с этим иногда его функции дублируются параллельно подключенным фрикционным сцеплением. У гидродинамического трансформатора крутящего момента потери еще больше и о причинах этих потерь речь пойдет в главе о коробках передач.
Другими источниками потерь служат шарниры и главная передача. Если автомобиль имеет независимую подвеску колес, то для передачи момента на ведущие колеса необходимы шарниры. В том случае, когда ведущими являются передние колеса, эти шарниры работают часто с большими угловыми перемещениями и служат причиной значительных потерь. К счастью, при. большой амплитуде колебаний колес скорость автомобиля невелика, да и передаваемый момент меньше по величине и весьма краток по времени.
Ведущие колеса установлены на подшипниках качения, в которых потери от трения очень незначительны. Весьма важной является правильная регулировка колесных тормозов. Если поверхности трения после торможения не отходят от барабана, то возникают большие потери, ведущие к перегреву и ухудшению функционирования тормозов. Повышение температуры тормозов легко определить простым прикосновением к диску колеса. *
У грузовых и специальных автомобилей иногда в ступице колеса размещается понижающая передача, что также вызывает большие потери, особенно зимой, при загустении смазочного материала. Потери возрастают также, если ведущими являются одновременно передняя и задняя оси. В этом случае причиной роста потерь служит увеличение числа шестерен и, соответственно, зацеплений, дифференциалов и шарниров. Достичь малого расхода топлива при этом весьма проблематично.
С выключением переднего привода вращение колес в раздаточной коробке и шарниров в полуосях не прекращается, так как они приводятся в движение от вращающихся колес. Потери в передаче от передних колес устраняются лишь путем отсоединения ведущего вала в ступице колеса, поскольку в этом случае прекращается вращение всего привода передних колес. Однако размещение в ступицах колес специальных муфт отключения и их управление представляют собой сложную и дорогостоящую задачу.
Если не применяются межосевой и межколесный дифференциалы, то при повороте, различном давлении в шинах или их неодинаковом износе возникают реактивные силы, препятствующие движению, и появляется пробуксовка шин по поверхности дороги, что связано с повышенным потреблением энергии.
РЕАКТИВНЫЕ СИЛЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ПРИ ДВИЖЕНИИ
Задние колеса при повороте обкатываются по иному сдеду, чем передние, и среднее число оборотов передних колес больше, чем задних. Если в полноприводном автомобиле обе оси соединены жестким валом, то колеса пробук- срвывают. Возникающая при повороте сила по величине может быть больше тяговой силы и зависит от коэффициента сцепления шины с поверхностью дороги и от нагрузки на колеса. С увеличением шероховатости поверхности дороги эта сила и сопротивление качению растут и, кроме того, увеличивается износ шин. Эта сила возникает также и при наличии дифференциалов у обеих осей и устраняется лишь с помощью межосевого дифференциала. Такой дифференциал выполняет также функции делителя момента в том случае, если на одной из осей установлены одинарные, а на другой — сдвоенные шины.
Силы, вызывающие дополнительные потери энергии, всегда возникают в случае использования сдвоенных шин. При повороте каждая из них должна двигаться с различной линейной скоростью, чего не происходит вследствие жесткого крепления сдвоенных колес. Поэтому на повороте хотя бы одно из колес имеет пробуксовку, которая устраняется обычно при отскоке одного из колес от неровностей дороги. Таким образом, на неровной дороге эта проблема решается проще, чем на шоссе с хорошим покрытием. Увеличение сопротивления движению за счет возникновения дополнительных, препятствующих движению сил, происходит также, если давление в сдвоенных шинах различно и если неодинаков их износ.
Тяговый момент неизбежно связан с буксованием, вызываемым упругой деформацией протектора шины при сцеплении и последующем его выходе из контакта с поверхностью дороги. На рис. 7 показана зависимость определяемого способом затормаживания колес коэффициента сцепления от скольжения колеса . Коэффициент сцепления линейно растет до величины скольжения, соответствующей приблизительно 10 %. Максимального зна-
чения коэффициент сцепления достигает на сухой, шероховатой поверхности дороги при слегка изношенных шинах и скольжении 25— 30 %. При росте скольжения до 100 % (наступления юза) коэффициент сцепления постепенно уменьшается и достигает значения 0,73.
Буксование колеса при передаче на него большего, чем требуется, крутящего момен-
Рис. 7. Зависимость коэффициента сцепления фса от величины скольжения 6 шины 8,25 — 20"; давление в шине 0,3 МПа.Рис. 7. Зависимость коэффициента сцепления фса от величины скольжения 6 шины 8,25 — 20"; давление в шине 0,3 МПа.та используется в неко
Рис. 7. Зависимость коэффициента сцепления фса от величины скольжения 6 шины 8,25 — 20"; давление в шине 0,3 МПа.
Рис. 7. Зависимость коэффициента сцепления фса от величины скольжения 6 шины 8,25 — 20"; давление в шине 0,3 МПа.
торых конструкциях полноприводных легковых автомобилей с невы'ключаемым приводом на переднюю ось. Привод передней оси производится через механизм свободного хода, при этом передаточное отношение задней оси меньше, чем передней. В том случае, когда нагрузка на ведущую заднюю ось приближается к значению максимально передаваемого момента и начинается буксование колес, скорость автомобиля падает, механизм свободного хода автоматически отключается и начинает действовать также передний привод.
На мягком покрытии коэффициент сцепления в начале вдавливания в него колеса меньше 1, а у гоночных автомобилей на шероховатом покрытии и при использовании специальных широких шин — больше 1.
НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ
СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ТОПЛИВА
У трехосных грузовых автомобилей действенным способом экономии энергии является поднятие задней оси йена груженного автомобиля. В случае движения по автомагистрали достаточно, чтобы ведущей была только одна средняя ось, что значительно сокращает потери в трансмиссии.
Если автомобиль загружен полностью, то все колеса находятся в сцеплении с дорогой. При движении незагруженного автомобиля третья ось может быть поднята
и, следовательно, не будет затрачиваться энергия для деформации шин и снизятся потери в подшипниках колес. Грузоподъемность шин второй оси у незагруженного автомобиля в этом случае не превышается. Увеличение загрузки ведущей средней оси может быть целесообразным также при движении порожнего автомобиля по бездорожью, разжиженному грунту.
Хорошим примером поиска путей снижения расхода топлива легковыми автомобилями служат различные соревнования на минимальнее его потребление. В них чаще всего участвуют обычные серийные автомобили, на которых разрешается проводить лишь очень незначительные доработки. Во время соревнований строго определяется и способ движения, например, запрещено движение по инерции на спуске с выключенным двигателем. Однако проводятся соревнования и с более свободными правилами, с малым количеством ограничений. Так, фирма «Шелл» ежегодно организует соревнования по достижению миг нимального расхода топлива. Автомобиль, участвующий в этих конкурсах, должен иметь не менее трех колес, а каждое колесо — нагрузку не менее 20 % полной массы автомобиля. Объем двигателя не регламентируется. Обороты стартера при запуске двигателя не должны превышать 1000 мин-1, с тем чтобы он не мог быть использован в качестве вспомогательного средства для аккумулирования энергии раскрученным маховиком. Электроаккумуляторы могут быть использованы только для зажигания, измерительных приборов и освещения. Другие аккумуляторы энергии использовать запрещается. Количество топлива, израсходованное на прохождение установленного расстояния, точно измеряется. На основе измерений пройденного пути и израсходованного топлива рассчитывается пробег автомобиля на одном литре топлива. Средняя скорость при испытаниях должна быть не менее 15 км/ч. Допускается примешивание к топливу воды в любом виде.
В автомобилях, участвовавших в таких соревнованиях,, использовались большей частью одноцилиндровые бензиновые двигатели воздушного охлаждения фирмы «Хонда» (Япония) с объемом 50—67 см3, дизели фирмы «Фэримэн Дизель» (ФРГ) с рабочим объемом 200 см3, а также двигатели оригинальных конструкций. Для контроля минимальной скорости и попеременного включения и выключения двигателя часто используют электронное управление. 30
Движение по инерции допускается только с включенным двигателем. Почти все автомобили конструктивно сделаны трехколесными, снабжены камерными шинами высокого давления. Несмотря на малые скорости, кузова этих автомобилей имеют аэродинамически совершенные формы для максимального сокращения этого вида потерь. Чтобы достичь минимальной лобовой площади, гонщики в машинах располагаются в положении лежа. Собственная масса таких автомобилей не превышает обычно 50—60 кг.
Ф. Майер является обладателем рекорда, установленного в 1980 г. на автомобиле учебного центра фирмы «Мерседес-Бенц» (ФРГ) с одноцилиндровым дизелем непосредственного впрыска фирмы «Фэримэн Дизель» с рабочим объемом 200 см3.
Двигатель был отрегулирован на минимальную мощность 0,75 кВт, и экономичный режим его работы обеспечивался электронным регулированием. Режим движения был импульсным: разгон при оптимальных условиях, после этого — движение накатом, далее цикл повторялся. На одном круге длиной 800 м мощность от двигателя передавалась на колеса лишь в течение 3 с.
Достигнутые результаты достойны удивления. Автомобиль-рекордсмен проехал путь, соответствующий пробегу 1284 км на 1 литр дизельного топлива, т. е. 0,0778 л на 100 км. В классе автомобилей с бензиновым двигателем установленный рекорд был эквивалентен пробегу 745 км на 1 л бензина (водитель Г. Рау, ФРГ). После завершения гонок в Вельцхайме каждый желающий мог проехать по трассе, используя методы вождения и управления двигателями, применяемые гонщиками. И в этом Случае на обычном серийном автомобиле модели «Рено 5TL» (Франция) водитель А. Финкель из ФРГ достиг расхода горючего 3,65 л на 100 км.
4. УМЕНЬШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ДВИЖЕНИЮ
Автомобиль можно назвать экономичным в том случае, когда при перевозке груза и пассажиров он расходует как можно меньше энергии. Поэтому необходимо, с одной стороны, до минимума снизить сопротивление движению и, с другой стороны, применить такой двигатель, который
может использовать теплотворную способность топлива с наибольшей эффективностью.
Вначале мы тщательно проанализируем все виды сопротивлений движению,, которые были описаны выше, и определим, где и каким способом удается достичь положительных результатов. Необходимо выяснить, как изменяются в процессе движения различные виды сопротивлений, возможно ли большие различия в величинах сопротивлений уменьшить так, чтобы требуемая мощность двигателя была минимальной и чтобы он работал в наиболее экономичном режиме.
Например, каждое торможение означает потерю энергии, но при движении оно является неизбежным фактором. Однако эту. энергию можно соответствующим способом аккумулировать и затем использовать для ускорения автомобиля, т. е. сэкономить топливо. Точно также энергию, аккумулированную на длинном спуске, можно использовать для последующего преодоления подъема. Уже эти примеры показывают нам целесообразность детального анализа каждого вида потерь.
СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЧЕНИЮ АВТОМОБИЛЯ
Одним из главных требований, предъявляемым к шинам легковых автомобилей и связанным с топливной экономичностью, является наименьшее значение коэффициента сопротивления качению. Кроме того, шины должны обладать хорошей устойчивостью и управляемостью, не допускать заноса автомобиля при отклонениях колеса от направления движения.
Потеря контакта с поверхностью дороги наступает при наличии на ней значительного слоя воды. В этом случае возникает эффект жидкостного трения, подобного трению в подшипнике, и шина скользит по воде. При помощи соответствующего рисунка протектора можно обеспечить отвод воды в сторону, чтобы в контакте шины с поверхностью дороги не образовывался слой воды, на котором шина теряет управляемость и возникает опасный эффект «аквапланирования».
Шины с изношенным протектором намного опаснее с точки зрения вышеизложенного эффекта, чем новые. Зависимость коэффициента сцепления от скорости автомобиля и толщины слоя воды для новых и изношенных шин показана на рис. 8. При падении коэффициента сцепления ниже 0,05 автомобиль становится неуправляемым.
32
Рис. 8. Зависимость коэффициента сцепления <рец от скорости автомобиля и и толщины слоя воды на поверхности дорожного покрытия: а — новая шина; б — изношенная шина без протектораРис. 8. Зависимость коэффициента сцепления <рец от скорости автомобиля и и толщины слоя воды на поверхности дорожного покрытия: а — новая шина; б — изношенная шина без протектораС точки зрения плавности хода автомобиля и устранения шума в кабине, шина должна поглощать небольшие неровности дороги и не передавать вызываемые ими вибрации на кузов. Это требует прежде всего увеличения податливости боковины шины,- но лишь до такой степени, чтобы не допустить потери управляемости автомобиля. Жесткость боковины влияет на боковой увод колеса, возникающий при наличии осевой силы, действующей в плоскости, перпендикулярной оси вращения колеса-
Рис. 8. Зависимость коэффициента сцепления <рец от скорости автомобиля и и толщины слоя воды на поверхности дорожного покрытия: а — новая шина; б — изношенная шина без протектора
Рис. 8. Зависимость коэффициента сцепления <рец от скорости автомобиля и и толщины слоя воды на поверхности дорожного покрытия: а — новая шина; б — изношенная шина без протектора
Жесткость боковин шины определяет ее конструкция, и прежде всего способ наложения корда. На рис. 9 изображены различные типы шин: а диагональная с укладкой слоев корда под углом; б радиадьная с укладкой слоев корда по радиусу шины с армирующими слоями под протектором; в диагональная улучшенного типа с армирующими слоями под протектором.
2 Мацкерле Ю.2 Мацкерле Ю.33
2 Мацкерле Ю.
2 Мацкерле Ю.
Рис, 10. Сечения шин серий «80»—«40»
Прогресс в области шин направлен на создание все более низкопрофильных шин, имеющих меньшие потери на качение и лучшие показатели устойчивости и управляемости. Профиль шины оценивается процентным отношением его высоты к ширине. На рис. 10 показаны сечения шин серий «80»—«40». Наиболее широко применяется серия «70», а серия «40», например, предназначена уже только для гоночных автомобилей.
Поскольку передаточное отношение трансмиссий автомобиля рассчитывают с учетом диаметра колеса, то и при использовании низкопрофильной шины этот диаметр должен быть сохранен неизменным. Для этого шина должна монтироваться на обод большего диаметра. Это имеет свои положительные стороны: например, можно увеличить ширину и диаметр тормозов, что улучшит их охлаждение. Однако масса колеса увеличится, если не применить для его изготовления легкие сплавы.
В предыдущих главах для простоты изложения использовалось допущение, что коэффициент сопротивления качению не зависит от скорости движения. В действительности это не так, поскольку конструкция, технология изготовления или материал щин оказывают влияние на изменение этого коэффициента, особенно при больших скоростях движения. На рис. 11 приведены реальные значения коэффициента сопротивления качению, измеренные у шин итальянской фирмы «Пирелли» серий «80»—«50».
При высоких скоростях отчетливо проявляется преимущество низкопрофильных шин серий «60» и «50». Например, шина HR/60 на скорости 160 км/ч имеет сопротивление качению на 26 % меньше, чем шина SR/8Q.
34
Среднее удельное давление в площади контакта у шины с упругой боковиной приблизительно равно давлению воздуха в шине. Поэтому как широкая, так и узкая шины одинаково нагруженного колеса будут иметь равный размер площади контакта с поверхностью дороги. Однако формы поверхности контакта будут различными. На рис. 12 показаны два колеса с шина-
Рис. 11. Зависимость сопротивления качению шии / от скорости- автомобиля оРис. 11. Зависимость сопротивления качению шии / от скорости- автомобиля оми различной ширины и ид
Рис. 11. Зависимость сопротивления качению шии / от скорости- автомобиля о
Рис. 11. Зависимость сопротивления качению шии / от скорости- автомобиля о
Рис. 12. Поверхности контакта узкой и широкой шии с дорожным покрытием2*35Рис. 12. Поверхности контакта узкой и широкой шии с дорожным покрытием2*35отпечатки. Площадь обоих отпечатков одинакова, но у более широкой шины он растянут по ширине, у менее широкой — по длине. Как изображено на боковой проекции колеса, деформация широкой шины h, меньше, чем узкой hu. Это является причиной меньшего погружения колеса в мягкое покрытие и, следовательно, меньшего коэффициента сопротивления качению. Данное правило действует и на твердом покрытии, так как изменяется угол наезда а, образуемый между касательной к окружности колеса и поверхностью дороги в месте контакта ее с колесом. Коэффициент сопротивления качению измеряется при качении колеса по ровному покрытию, имеющему большую жесткость, что моделирует качение эластичного колеса по жесткому покрытию и приблизительно
Рис. 12. Поверхности контакта узкой и широкой шии с дорожным покрытием
2*35
Рис. 12. Поверхности контакта узкой и широкой шии с дорожным покрытием
2*35
Ри'с. 13. Распределение давления р на поверхности контакта шины с дорожным покрытиемРи'с. 13. Распределение давления р на поверхности контакта шины с дорожным покрытиемсоответствует условиям качения шины по дороге с асфальтовым ндй бетонным покрытием. В этом слут чае можно пренебречь влиянием деформации дорожного покрытия/ и деформация колеса будет протекать таким образом, как показано на рис. 13. При статическом на- гружеции деформация симметрична, а равнодействующая сил проходит через центр тяжести отпечатка.
Ри'с. 13. Распределение давления р на поверхности контакта шины с дорожным покрытием
Ри'с. 13. Распределение давления р на поверхности контакта шины с дорожным покрытием
Колесо представляет собой пневматическую пружину с высокопрогрессивной характеристикой. Характеристику этой пружины можно получить путем нагружения колеса и измерения положения его центра тяжести в зависимости от величины нагрузки. При вращении шины каждую
элементарную площадку на ее окружности можно считать самостоятельной, предварительно сжатой пружиной. Дополнительное сжатие этих парциальных пружин при контакте с дорогой требует затраты работы, которая увеличивает сопротивление качению шины. При выходе из контакта этих пружин после достижения максимального сжатия в среднем положении энергия, аккумулированная в них, высвобождается, и сила действует в направлении движения, уменьшая сопротивление качению. Для идеальной шины вложенная энергия была бы равна энергии высвобожденной, и колесо катилось бы без потерь.
Однако шина снабжена реальным протектором и, кроме того, в ней имеется внутреннее трение. При деформации протектора, помимо силы, необходимой для сжатия пневматической пружины, требуется сила для придания ускорения парциальной массе. Наличие внутреннего трения вызывает расход еще части энергии на разогрев шины. Следовательно, в первой половине цикла соприкосновения шины с дорогой должно быть развито усилие, достаточное для сжатия пружины, придания ускорения массе протектора и преодоления внутреннего трения. Однако во второй половине цикла вся сила сжатия пружины не высвободится, так как часть ее уйдет 36
на придание обратного ускорения массе и на преодоление внутреннего трения. При вращении колеса на массу протектора воздействует также центробежная сила. Распределение удельных давлений по площади отпечатка будет поэтому неравномерным.
Равнодействующая всех сил расположена в первой половине отпечатка и удалена от оси колеса на расстояние s. За счет этого возникает момент сопротивления sG, который вызывает горизонтальное сопротивление Н = = G tg Ф, где tg ф — s/R = f; G — нагрузка на шину.
В действительности, при передаче окружного усилия с шины на дорогу зависимости гораздо сложнее, но для наглядности объяснения приведенная выше упрощенная модель вполне пригодна. Так как центробежная сила и время сжатия зависят от окружной скорости и, то и сопротивление качению также частично зависит от нее. Эта зависимость выражается уравнением
Р = G ^й + си").
Значение ^ и в особенности показатель степени /г, по мнению различных автрров, имеют весьма широкий диапазон. По Э. Эверлингу п = 1; В. Камм считает п = = 2, Андро п = 3,7.
Для наших рассуждений о путях снижения сопротивления качению вполне пригодны реально измеренные значения коэффициента сопротивления / (см. рис. 11) и влияние на него давления в шине (рис. 14). Из графиков на рис. 14 видно, что малое давление значительно увеличивает сопротивлекие качению, особенно при больших скоростях движения.
Как показано на рис. И, до скорости 60—80 км/ч сопротивление качению несколько падает, но при больших скоростях резко увеличивается. Сверхнизкопрофильная шина серии К/?/50 сохраняет небольшую величину сопротивления качению вплоть до скорости 200 км/ч. Таким же свойством обладает и шина HR(60.
Весьма опасным для шин является резонанс протектора, возникающий на высоких скоростях. При достиже- нии определенных оборотов колеса могут начаться колебания элементов слоя протектора на пневматической пружине под влиянием постоянных импульсов сжатия при каждом повороте колеса. На поверхности шины в момент
37
Рис. 14. Зависимость коэффициента сопротивления качению / от скорости автомобиля у и давления в шинах р 'Рис. 14. Зависимость коэффициента сопротивления качению / от скорости автомобиля у и давления в шинах р 'Рис. 15. Зависимость коэффициента сопротивления качению / узкой и широкой шин от угла бокового увода рРис. 15. Зависимость коэффициента сопротивления качению / узкой и широкой шин от угла бокового увода р
Рис. 14. Зависимость коэффициента сопротивления качению / от скорости автомобиля у и давления в шинах р '
Рис. 14. Зависимость коэффициента сопротивления качению / от скорости автомобиля у и давления в шинах р '
Рис. 15. Зависимость коэффициента сопротивления качению / узкой и широкой шин от угла бокового увода р
Рис. 15. Зависимость коэффициента сопротивления качению / узкой и широкой шин от угла бокового увода р
выхода ее из контакта с дорогой появляются статические волны, которые могут распространиться по всей окружности колеса. Резонанс протектора является причиной больших выделений теплоты и поэтому недопустим. При его возникновении в течение нескольких десятков секунд слой протектора может отделиться и, таким образом, возникнет аварийная ситуация.
Резонанс протектора резко повышает сопротивление качению, а рост энергии, потребляемой для преодоления сопротивления, сильно разогревает шину. Границы резонанса можно сдвинуть в сторону больших частот вращения колеса повышением внутреннего давления в шине и уменьшением массы протектора. Максимально допустимая скорость для отдельных типов шин фирмы «Пирелли» ограничивается следующим образом: 3^ — 180 км/ч; HR — 210 км/ч; VR — более 210 км/ч.
Снижение сопротивления качению у низкопрофильных шин весьма значительно и поэтому способствует повышению топливной экономичности. Фирма «Пирелли» гарантирует, что использование нового типа шин Р8 вызывает уменьшение расхода топлива до 4 %, что соответствует снижению сопротивления качению на 20 %. Одновременно повышается срок службы шин. Шина Р8 относится к серии «65» и пригодна для использования на скоростях до 180 км/ч.
Низкопрофильные шины обладают большей жесткостью боковин, что проявляется в меньшей величине бокового увода. На рис. 15 показано влияние угла боко- 38
вого увода на коэффициент сопротивления качению. Пунктирная кривая характеризует шины серии «80», сплошная — серии «60».
Одним из главных требований, предъявляемых к шинам, является обеспечение хорошего сцепления с поверхностью дороги. Оно обусловливается шириной профиля шины, рисунком протектора й качеством его материала. Для обеспечения максимального сцепления с поверхностью дороги у гоночных автомобилей применяются шины, изготовленные из особо мягкого материала с гладким протектором без рисунка. Мелкие углубления на поверхности протектора делаются лишь для контроля износа, который у этих шин при. малых пробегах достигает значительных размеров. Сопротивление качению у таких гладких шин меньше, чем у тех, которые снабжены протектором с рисунком.
Как видно из вышеизложенного, правильный выбор типа шины и соблюдение установленного внутреннего давления воздуха в них являются важными факторами, влияющими на уменьшение расхода топлива. Поскольку, однако, доля сопротивления качению в сумме общего сопротивления движению автомобиля значительно уменьшается с ростом скорости, то уменьшение этого вида сопротивления движению не означает пропорционального снижения расхода топлива. Так, уменьшение сопротивления качению шин на 10 % вызывает снижение потребления топлива лишь на 2 %. Низкопрофильные* шины обеспечивают лучшие условия движения, что может приводить к увеличению скорости, при котором экономия топлива, достигнутая снижением сопротивления качению, практически сведется к нулю. В этом случае необходимо принимать в расчет, какое снижение расхода достигается уменьшением сопротивления качению шин и насколько увеличивается этот расход из-за роста скорости движения.
При действии боковой силы коэффициент сопротивления качению шины растет. Боковая сила возникает чаще всего при движении на поворотах. Чтобы не допустить при этом снижения скорости автомобиля, необходимо увеличить мощность двигателя. Боковая сила растет с ростом скорости и соответственно увеличивается сопротивление качению. Поэтому при прохождении поворотов на большой скорости потребление топлива увеличивается.
Поворот можно проезжать и способом плавного скольжения всех колес (так называемый управляемый занос
автомобиля), что весьма эффективно, но при этом требуется значительная мощность двигателя. Все колеса автомобиля в таком случае отклонены от направления движения. Умение экономично проезжать поворот на большой скорости заключается в прохождении его с наименьшим буксованием колес.
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ АВТОМОБИЛЯ
Наибольшую долю в сопротивлении движению легкового автомобиля по горизонтальному участку дороги с высокой скоростью составляет аэродинамическое сопротивление, сила которого растет пропорционально квадрату скорости. Ясно, что снижение этого сопротивления оказывает значительное влияние на уменьшение расхода топлива. Поэтому в настоящее время улучшению аэродинамических' свойств автомобиля придается большое значение.
Аэродинамическое сопротивление автомобиля можно уменьшить главным образом путем сокращения величины коэффициента аэродинамического сопротивления сх.
Важность этого коэффициента известна с самых первых шагов развития автомобильного транспорта. Уже первый автомобиль, превысивший рубеж 200 км/ч — паровой автомобиль Стенли 1906 г., имел кузов, обладавший, если можно так выразиться, некоторыми намеками на аэродинамическую форму, поскольку он напоминал перевернутую килем вверх лодку. Аэродинамические формы кузова в то время детально изучал в испытательных трубах профессор В. Камм, однако все они были мало технологичны и представляли собой чисто гипотетические модели. Ближе к практике были формы кузовов, которые разрабатывал П. Джерей; они, в частности, были использованы при создании гоночных автомобилей «Ява».
На чехословацком автомобильном заводе «Татра» с помощью испытаний в аэродинамической трубе был разработан один из самых передовых по тем временам кузов автомобиля «Татра 87», производство которого началось в 1936 г. Это был первый серийно выпускавшийся автомобиль с действительно аэродинамической формой кузова. Достигнутый на нем коэффициент аэродинамического сопротивления сх = 0,32 позволил автомобилю массой 1900 кг с двигателем мощностью 54 кВт развить скорость 160 км/ч.
Автомобильный завод «Виков», как и предприятия «Шкода», «Збройовка Брно» и «Вальтер», также создали единичные экземпляры автомобилей с аэродинамическими формами кузова, применяли их при подготовке гоночных машин, но не смогли обеспечить серийное производство., Первые аэродинамические кузова имели цель снизить, главным образом, лобовое сопротивление автомобиля. Позднее выяснилось, что необходимо обеспечить также его аэродинамическую устойчивость; это принесло с собой как новые проблемы, так и новые знания. Отличие аэродинамики автомобиля от аэродинамики самолетов состоит в том, что автомобиль движется по твердой поверхности и приводится в движение колесами. Необходимо поэтому принимать во внимание так называемое всплывание (приподнимание) и опрокидывание автомобиля аэродинамическими силами, а также влияние бокового ветра на устойчивость автомобиля при его движении. В этой книге основное внимание обращается на снижение аэродинамического сопротивления автомобиля; проблемы же его аэродинамической устойчивости представляют самостоятельный интерес и здесь подробно не рассматриваются.
В коэффициенте сх отражается несколько видов аэродинамического сопротивления:
сопротивление формы, вызываемое перепадом давления воздуха на поверхности кузова (50—80 %);
сопротивление трения воздуха о поверхность кузова (3—10 %);
внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через системы охлаждения двигателя, отопления » вентиляции кузова (10—20 %);
сопротивление, возникающее за счет завихрения воздуха при вращении колес (5 %).
На сопротивление воздуха оказывают большое влияние различные углубления (например, окна) и выступы на кузове, молдинги, зеркала заднего вида, фары, стеклоочистители и т. д. Влияние этих деталей трудно определить на. мелкомасштабных моделях при их продувке в трубе, поэтому сегодня преимущество отдается измерениям, проводимым при продувке реальных автомобилей в больших аэродинамических трубах.
Утилизация, даже частичная, потерь, связанных с аэро- Л динамическим сопротивлением, практически невозможна. Теоретически можно было бы использовать трение воздуха о поверхность кузова, например, для отвода теплоты
от двигателя. Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости воздуха, обтекающего горячую поверхность, но трение не зависит от температуры этой поверхности. Внешняя поверхность кузова должна в таком случае заменить поверхность радиатора. Практическое осуществление такой системы связано, однако, с большими трудностями, так как горячая поверхность кузова могла бы служить источником ожогов, а летом в автомобиле была бы слишком высокая температура. Но есть такие части автомобиля, которые можно было бы использоЬать в качестве замены радиатора. Для этой цели могла бы служить нижняя часть кузова, но она больше всего подвержена повреждениям, загрязнению и коррозии. На предприятии «Татра» в г. Копршивнице была сделана попытка разместить масляный радиатор на днище кузова. С функциональной точки зрения, такое решение соответствовало всем требованиям, однако надежность его была весьма низкой, так как постоянно существовала опасность повреждения камнями трубок радиатора и утечки масла. Аналогичные опыты проводились на гоночных автомобилях и спортивных самолетах, у которых для охлаждения использова- ' лась поверхность крыльев.
АЭРОДИНАМИЧЕСКИ
СОВЕРШЕННАЯ ФОРМА КУЗОВА
Форма кузова должна обеспечивать как можно меньшее сопротивление воздуха и в то же время аэродинамическую устойчивость автомобиля. Во время первых опытов, проведенных профессором В. Каммом, передняя часть модели автомобиля была тщательно скруглена, а задняя — удлинена настолько, чтобы не допустить срыв с нее воздушного потока. Эта каплеобразная форма показана штриховой линией на рис. 16, а, где также изображена
Рис. 16. Формы обтекаемого кузова; а * по В, Камму; б м по П, Дж ер еюРис. 16. Формы обтекаемого кузова; а * по В, Камму; б м по П, Дж ер ею
Рис. 16. Формы обтекаемого кузова; а * по В, Камму; б м по П, Дж ер ею
Рис. 16. Формы обтекаемого кузова; а * по В, Камму; б м по П, Дж ер ею
Рис. 17. Кузов В. Камма с двумя крыльями — рулями направленияРис. 17. Кузов В. Камма с двумя крыльями — рулями направленияформа кузова автомобиля, полученная из каплеобразной с небольшими изменениями лобовой и хвостовой частей для уменьшения длины автомобиля и обзорности.
Рис. 17. Кузов В. Камма с двумя крыльями — рулями направления
Рис. 17. Кузов В. Камма с двумя крыльями — рулями направления
за счет двух рулей управле- рис. 17. Внешний вид автоза счет двух рулей управле- рис. 17. Внешний вид автоДля обеспечения аэродинамической устойчивости при боковом ветре необходимо было увеличить боковую поверхность ния, как это показано на
за счет двух рулей управле- рис. 17. Внешний вид авто
за счет двух рулей управле- рис. 17. Внешний вид авто
мобиля в результате значительно ухудшился и поэтому рули оставили лишь на опытных образцах.
Большего увеличения боковой поверхности достигал кузов, выполненный по патенту П. Джерея, за счет использования нижней его части в форме крыла, а верхней — в форме симметричной, вытянутой в горизонтальной проекции капли (рис. 16, б). Более привлекательный внешне, этот кузов был снабжен вертикальным крылом, расположенным посредине. Такие кузова были испытаны на нескольких спортивных автомобилях.
Предприятием «Татра» был разработан собственный вариант кузова для автомобиля «Татра-87», обеспечивший очень хороший коэффициент сж = 0,32. Эти автомобили с небольшими изменениями рыпускались 20 лет (рис. 18).
Требования к аэродинамическим свойствам кузова постоянно растут. Должны быть обеспечены и низкое
Рис. 18. Аэродинамический кузов автомобиля «Татра-87»Рис. 18. Аэродинамический кузов автомобиля «Татра-87»
Рис. 18. Аэродинамический кузов автомобиля «Татра-87»
Рис. 18. Аэродинамический кузов автомобиля «Татра-87»
сопротивление воздуху и устойчивость при боковом ветре. Необходимо, чтобы равнодействующая аэродинамических сил, действу
ющих на кузов, рас- Рис. 19. Кузов с задним спойлером полагалась как можно ^лиже к центру тяжести автомобиля или проходящей через него оси автомобиля. Если боковая сила действует по оси, то автомобиль только слегка сдвигается, но не поворачивается. Если равнодействующая аэродинамических боковых сил проходит впереди оси, то автомобиль поворачивается по направлению ветра, т. е. он аэродинамически неустойчив. Если равнодействующая приложена сзади оси, то автомобиль поворачивается против направления ветра, но так как одновременно он продолжает движение вперед, то через определенное время, за которое водитель поворотом руля обеспечивает сохранение направления движения, машина возвращается в исходное (по движению) положение. Первая реакция на боковой удар ветра — автоматическая, без действия водителя. При нем автомобиль поворачивается и начинает двигаться под углом к осевой линии дороги. Водитель имеет достаточно времени для воздействия на рулевое управление и поэтому можно считать такой автомобиль аэродинамически устойчивым.
У хорошо обтекаемых кузовов равнодействующая аэродинамических сил приложена обычно в передней части автомобиля, и, следовательно, если центр тяжести в задней половине, то автомобиль аэродинамически неустойчив. Этому, однако, препятствует большая боковая площадь задней части, например, как у автомобилей с грузопассажирским кузовом типа «универсал». Автомобили с малым уклоном крыши, имеющие к тому же скругленную заднюю часть, предрасположены к аэродинамической неустойчивости.
Уклон задней части крыши должен быть небольшим, чтобы поток воздуха не отрывался от кузова. Поэтому крыша с малым уклоном задней части более выгодна; а в местах, где происходит отрыв' потока воздуха, кузов необходимо завершить вертикальной стенкой. Сопротивление воздуха в этой части можно снизить с помощью
спойлера, как показано на рис. 19. При использовании кузова такого типа возникают проблемы с обеспечением заднего обзора, в особенности, если уклон задней части крыши небольшой. При устранении заднего окна водитель получает информацию о состоянии движения сзади только с помощью зеркал заднего вида, располагаемых на передних крыльях или на боковинах передних дверей. Но эти элементы значительно увеличивают аэродинамическое сопротивление автомобиля. Задние спойлеры способствуют повышению устойчивости машины; речь о них пойдет в отдельной главе.
Для сохранения хорошей управляемости автомобиля очень важны нагрузки на переднюю и заднюю подвески. Приближенно их можно установить по распределению массы автомобиля на оси. Однако определенное значение имеет и аэродинамическая нагрузка подвесок.
Аэродинамическое нагружение обеспечивает возможность переноса большей силы с шин на поверхность дороги, в первую очередь при ускорении и торможении автомобиля, что важно для сохранения его управляемости. Аэродинамическая нагрузка на ведущую ось важна прежде всего для гоночных автомобилей, так как это улучшает динамику разгона и способствует повышению скорости прохождения поворотов. При аэродинамическом нагружении осей во время торможения сопротивление спойлера помогает этому процессу и разгружает тормоза колес, уменьшая их нагрев и, соответственно, нагрев шин. От гоночных автомобилей спойлеры перешли и на серийные модели автомобилей спортивного типа.
У некоторых гоночных автомобилей угол наклона спойлера можно менять во время движения, т. е. он действует как руль высоты у самолета. Если требуется увеличение нагрузки на ось, то угол наклона спойлера уменьшается. Спойлером можно снизить аэродинамическое сопротивление автомобиля, а также и его сопротивление качению, поскольку оно зависит от силы, прижимающей колесо к дороге.
Передняя подвеска должна обеспечивать хорошую управляемость автомобиля и на больших скоростях. Это не всегда удается, в особенности при скругленном и высоко поднятом капоте. Точно так же, как и на профиле крыла самолета, над капотом возникает зона пониженного давления и тем самым нагрузка на переднюю ось уменьшается. Эта разгрузка оси на большой скорости
может достичь такой величины, что автомобиль перестанет реагировать на управление. Поэтому передние части у скоростных автомобилей делают низкими и длинными, поднимающимися к лобовому стеклу под малым углом.
Итак, кузов автомобиля оказывает существенное влияние на достижение минимальных величин сопротивления движению, но при этом он должен обеспечивать безопасность, комфортные условия для водителя и пассажиров и, кроме того, кузов как бы представляет автомобиль, это его одежда. Передовые художники-конструктоцы по кузовам должны постоянно повышать не только свой творческий уровень, но и расширять технические знания, так как кузов в настоящее время — не только произведение художника, а является важнейшим техническим элементом современного автомобиля, в конструкции которого нужно учитывать все достижения научно-технического прогресса, способствующие повышению экономичности автомобиля.
Одним из самых известных конструкторов кузовов является П. Фарина, построивший собственную аэродинамическую трубу. Для поддержки его работ итальян- .ский исследовательский клуб CNR заказал у П. Фарина разработку и изготовление прототипа кузова автомобиля среднего класса с минимальным аэродинамическим сопротивлением и соответствующим ему низким расходом топлива, пригодного для массового производства. Кузов должен быть аэродинамически устойчивым, обеспечивать размещение водителя и четырех пассажиров, двигателя и агрегатов, а также иметь большой багажник.
Прежде всего искалась форма кузова, который на малом расстоянии от земли имел бы наименьший коэффициент сх и при этом к кузову не были бы приложены никакие вертикальные результирующие силы. Эта форма кузова разрабатывалась без учета колес, размещения двигателя и других силовых агрегатов. В результате была найдена оптимальная форма кузова, который при размещении вблизи земли имел наименьший из известных коэффициент аэродинамического сопротивления ех =■ = 0,049.
Затем к кузову были прикреплены колеса, что оказало значительное влияние на аэродинамику. Колеса при измерении не вращались, поверхность пола также была неподвижна. Это обычный способ, используемый при измерениях сопротивления автомобиля в аэродинамической
Рис. 20. Кузов автомобиля с минимальным аэродинамическим сопротивлением фирмы «Пининфарина»
трубе. Масштаб продуваемого макета составлял 1:1. После тщательной доводки был достигнут коэффициент сх = 0,16, что является наименьшим из всех значений, полученных до настоящего времени для автомобилей и их макетов с колесами.
Характерным показателем хорошего аэродинамического решения кузова автомобиля является скорость воздуха, при которой сопротивление качению равно аэродинамическому сопротивлению. Для современных автомобилей эта скорость составляет 50—60 км/ч. Для автомобиля с кузовом «Пининфарина» эта скорость была около 90 км/ч.
Окончательная форма кузова автомобиля должна соответствовать правилам дорожного движения в различных странах, включая размещение фар, бамперов, номерных знаков, а также отвечать требованиям при проведении испытаний на безопасность.. П. Фарина отвергает различные спойлеры и утверждает, что они служат только целям устранения недостатков или допущенных ошибок при проектировании аэродинамической формы кузова.
Форма кузова, показанная на рис. 20, весьма необычна и напоминает дельфина в прыжке. У последнего варианта кузова передняя и задняя части были сменными. Размеры модели составляли в мм:
Длина 4200—4500Колея:
Высота1370впереди . . . 1400
Ширина. . . . 1680сзади . . . . 1390
База 2250Объем багажника 440 дм
Предусмотрен четырехдверный вариант кузова. Предполагается, что двигатель и ведущий мост также разме-
щены в передней части. Автомобиль имеет независимую подвеску передних и задних колес. Колеса выполнены в виде сплошных дисков, причем передние закрыты обтекателями.
Опыт показывает, что коэффициент сж у реальных автомобилей на 10—20 % выше, чем у их макетов, так как на последних отсутствуют детали подвески, дверные ручки, замки и т. д. Из-за сводчатой формы пола коэффициент сх ухудшился на 45 %, т. е. достиг значения сх = 0,23. Это составляет примерно половину сх сегодняшнего среднего автомобиля и соответствует снижению потребления им топлива на 15—20 %.
СПОЙЛЕРЫ
Спойлеры начали применять в первую очередь на гоночных автомобилях для увеличения сцепного усилия колес, сохраняя при этом массу автомобиля. Для объяснения механизма действия спойлеров, независимо от того, где они установлены, можно использовать опыты Ф. Шенкеля из фирмы «Дженерал Моторе», результаты которых были сообщены на конгрессе SAE в г. Детройте [2]. В экспериментах определялось изменение нагрузки на передний и задний мосты в зависимости от высоты спойлера h.
Размеры переднего спойлера приведены на рис. 21. Спойлер представляет собой поперечный лист длиной 1105 мм, расположенный на расстоянии 635 мм от передней оси. Высота h обозначает расстояние от нижней кромки спойлера до днища кузова. График, приведенный на этом рисунке, показывает изменение АсР от размера h в сравнении с вариантом без спойлеров, причем коэффициент ср характеризует степень аэродинамической на- груженности оси автомобиля:
_ F
Се~ Л (р/2)с2*
где F — сила (нагрузка) на переднюю или заднюю ось; А — лобовая поверхность автомобиля, м2; р — плотность воздуха, кг/м3; у — скорость автомобиля, км/ч.
Изменение этих параметров на рис. 21 показано в зависимости от h. Коэффициент аэродинамического сопротивления сх сначала (до h = 100 мм) снижается, а затем снова возрастает. Коэффициент аэродинамической раз-
Рис. 21. Влияние переднего спойлера иа аэродинамическую нагружен- ность осей автомобиля:
7 — задняя ось: 2 ~ передняя ось; Дсх -=- изменение коэффициента аэродинамического сопротивления; &Ср — изменение коэффициента аэродинамической разгрузки; с^ -* относительное изменение аэродинамического давления
грузки передней оси Дср непрерывно уменьшается вплоть до предельного значения h = 300' мм, когда спойлер выдвинут почти до поверхности Дороги. Коэффициент аэродинамической разгрузки задней оси до h = 150 мм возрастает, а далее уже не изменяется.
Прежде чем применять передний спойлер, необходимо уточнить, чего можно достичь с его помощью. В первую очередь — это увеличение прижатия передней оси к поверхности дороги с целью обеспечения хорошей управляемости автомобиля. На снижение аэродинамического сопротивления такой спойлер оказывает весьма малое влияние. Многое, конечно, зависит от исполнения спойлера и его сочетания, вписываемости в форму кузова.
Снижение аэродинамического сопротивления заключается главным образом в том, что уменьшается его количество, продуваемое под автомобилем. Уменьшенная скорость протекания воздуха по весьма неровному днищу кузова оказывает решающее влияние на снижение сопротивления воздуха.
С этой точки зрения также интересной представляется изображенное на рис. 21 распределение давления воздуха на поверхности кузова и направления его изменения. Величины давления воздуха на поверхности кузова автомобиля без спойлера обозначены черными точками, а направления аэродинамических сил иллюстрируются наклоном линий к поверхности кузова. В кружках обозначено, идет ли речь об избыточном давлении (плюс) или о разрежении (минус),
Главным назначением переднего спойлера является снижение давления под кузовом в передней-части автомобиля . Величины давления при выдвижении спойлера обозначены светлыми кружками и треугольниками. Увеличение разрежения в передней части автомобиля наблюдается до половины его длины, затем оно уменьшается, что способствует увеличению нагрузки на переднюю ось. В задней части автомобиля изменения при этом незначительны.
Аналогичная картина имеет место и при использовании спойлеров в задней части автомобиля. Размеры и влияние спойлеров показаны на рис. 22. И в этом случае сопротивление сначала несколько снижается, а начиная с Л — = 20 мм, —увеличивается. При этом аэродинамическая разгрузка передней оси мало зависит от возникающего перераспределения давлений. При этом наибольшее влия- 50
Рис. 22. Влияние заднего спойлера на аэродинамическую нагружен- ность осей автомобиля:
1 *• задняя ось; 2 *■ передняя ось; 6кСх ** изменение коэффициента аэрода- панического сопротивления; Дс/г ■■ изменение коэффициента аэродинамической разгрузки; Ср ** относительное изменение аэродинамического давления
ние спойлеры оказывают на прижатие задней оси к дороге и на увеличение сцепного усилия колес.
Распределение давления воздуха по поверхности кузова показано в нижней части рис. 22. Для простоты на нем не приводятся значения давления в передней части кузова, которые практически неизменны. Задний спойлер несколько повышает давление в месте его размещения и увеличивает разрежение под задней частью автомобиля. Места на кузове, где имеется повышенное давление, выгодно использовать для забора воздуха в целях обеспечения вентиляции и отопления. В местах разрежения следует размещать отверстия для отвода воздуха из кузова. Тем самым обеспечивается прохождение воздуха через внутренний объем кузова без принудительной вентиляции, хотя при этом и ухудшается коэффициент сх.
Влияние спойлеров на потребление топлива различно. Оно невелико для аэродинамически хорошо спроектированных и более значимо для плохо обтекаемых кузовов. В качестве среднего значения оценки этого влияния можно было бы принять улучшение коэффициента сх, достигнутое при использовании переднего спойлера на автомобиле «Остин Аллегро ВЛ», у которого изменение сх от 0,44 до 0,40 привело к снижению расхода горючего на 11 %.
Для справки целесообразно привести несколько значений коэффициента сх различных автомобилей. Среднее значение сх для моделей автомобилей 1980 г. равно 0,46; у «Ауди-100» — сх = 0,42; «NSU Но-80»— 0,37; «Форд Фиеста» — 0,42; «Форд\ Гранада» — 0,435.
Интересен процесс разработки и применения решетки перед радиатором у автомобилей «Форд Капри» и «Форд Гранада» (ФРГ), показанный на рис. 23. Обычно при
Рис. 23. Течение воздуха через направляющую решетку перед радиатором автомобилей «Форд» при малых (а) и больших (б) скоростях движения автомобиля
Рис. 24. Улучшение коэффициента аэродинамического сопротивления сж кузова автомобиля «Фольксваген» изменением формы оперения кузова [21]
большой скорости автомобиля радиатор обтекает большее количество воздуха, чем нужно для охлаждения. Разместив перед радиатором направляющую решетку с профилем шторок в виде лопаток турбины, достигли следующего: при малых скоростях автомобиля через решетку протекает больше воздуха (см. рис. 23, а), чем на больших, когда направляющая решетка отклоняет поток набегающего воздуха вверх и он обтекает капот (рис. 23, б).
Конструкторам фирмы «Гиа» удалось достичь при создании спортивного варианта кузова автомобиля «Форд Фиеста» коэффициента сх = 0,38. Тщательная проработка деталей кузова автомобилей «Мерседес-Бенц» серии S позволила улучшить коэффициент сх на 14 %: от сх = = 0,37 до сх = 0,36. Одним из примеров было изготовление стекол задних фонарей с продольным оребрением, что обеспечило лучшее обтекание воздухом и меньшую их загрязняемость при движении.
У американского автомобиля «Крайслер» малого класса коэффициент сх был улучшен с 0,46 до 0,41, на автомобилях «Рено /?-14» и «Фольксваген Гольф» удалось получить сх = 0,42; на итальянском «Фиат Ритмо» — 0,44. Одного из лучших значений этого показателя достигли французские специалисты на автомобиле «Ситроен СХ», у которого сх = 0,30. Автомобиль «Ровер 3500» (Англия) имеет сх = 0,32.
Еще один пример аэродинамического улучшения формы кузова путем тщательной проработки его деталей показан на рис. 24. Изменением оформления кузова (последова- тельность стадий показана на рисунке слева направо) было достигнуто улучшение сх на 15 %. Сначала путем скругления оперения был устранен срыв потока воздуха
с капота, что позволило улучшить сж на 16 %. Однако, чтобы сохранить художественное решение кузова, была скруглена только часть оперения, в том числе углы крыльев в горизонтальной проекции, при этом был потерян только 1 % достигнутого улучшения.
Были испытаны пять видов заднего спойлера и выбран вариант с минимальной высотой 40 мм, обеспечивший снижение ех с 0,41 до 0,378, а коэффициента аэродинамической нагруженности задней оси — с 0,25 до 0,19.
ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В КОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЯ
НА СНИЖЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ
Какое влияние могут иметь различные «малые» изменения в автомобиле на расход им топлива, наглядно показывают исследования, проведенные по инициативе английского журнала «Аутокар» на серийном автомобиле «Форд Капри 2,05».
После внесения каждого изменения измерялось время разгона автомобиля на прямой передаче (так называемая «эластичность» автомобиля) от скорости 32,2 км/ч до 129 км/ч, что характеризовало изменение мощности двигателя. Расход топлива измерялся при постоянных скоростях движения 96,6 км/ч и 129 км/ч. Среднее значение, полученное при этих измерениях, сравнивалось с расходом стандартного автомобиля. Ниже рассматриваются результаты испытаний автомобиля при некоторых внесенных изменениях [3].
Пониженное давление воздуха в шинах. Для обеспечения безопасности движения эти испытания проводились на закрытой кольцевой дороге. Нормальное давление 0,169 МПа в передних шинах и 0,190 МПа в задних было снижено до 0,098 МПа и 0,120 МПа соответственно. При этом не было обнаружено большого изменения формы шины, не изменилась также и управляемость автомобиля. Влияние на изменение расхода топлива также было очень небольшим — увеличение на 0,26 л/100 км. Разгон, однако, ухудшился на 11 %. Более важным является рост вероятности выхода из строя шин из-за увеличения деформации их боковин и — вследствие этого — ускорения их нагрева.
Открытые боковые окна. При этом значительно ухудшается аэродинамическое обтекание кузова автомобиля,
образуются завихрения, что при езде на большой скорости вызывает также и неприятный шум. Расход топлива увеличился на 0,66 л/100 км, а время разгона — на 5 %.
Багажник на крыше. Даже не загруженный, он значительно ухудшает аэродинамику автомобиля, вызывая увеличение расхода топлива на 0,81 л/100 км и времени разгона .на 9 %. Багажник с четырьмя большими чемоданами, накрытыми брезентом, увеличивает расход топлива на 2,6 л/100 км, а время разгона — на 27 %. Поэтому багажник на крыше рекомендуется использовать лишь в крайних случаях.
Открытый сдвижной люк на крыше вызывает большие потери, главным образом, при малой скорости движения. При больших скоростях автомобиля в месте над головой водителя возникает разрежение, и обтекание воздухом кузова, в районе крыши практически не нарушается. Возникавший лишь небольшой уровень шума свидетельствовал об аэродинамически хорошо спроектированном люке автомобиля «Форд Капри». Расход топлива увеличился на 0,33 л/100 км, а разгон ухудшился на 4,5 %.
Для сведения приведем также влияние состояния системы зажигания и впускной системы двигателя на эти параметры автомобиля:
Увеличение расхода топлива, л/100 км
Увеличение времени разгона, %
Замена новых свечей зажигания старыми .
0,66
7
Увеличение опережения зажигания на 7° угла поворота коленчатого вала
0,68
И
Уменьшение опережения зажигания на 7° угла поворота коленчатого вала . .
0,98
43
Увеличение зазора контактов прерывателя на 0,18 мм
0,77
8
Предварительный нагрев входящего в двигатель воздуха летом
0,34
7,6
Засоренный воздушный фильтр . . .
0,66
5
Как видно из приведенных данных, неправильное техническое обслуживание также оказывает значительное влияние на увеличение расхода топлива. Следует указать, что приведенные данные получены в результате довольно грубых измерений и могут служить только для приближенного сравнения, так как многое зависит от условий испытаний — температуры и давления воздуха, вида и состояния покрытия дороги, погоды и т. п.
СНИЖЕНИЕ
АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
Большая площадь фронтальной проекции и прямоугольная, плохо обтекаемая форма кузова грузового автомобиля и автобуса способствуют возникновению значительного аэродинамического сопротивления. Данный факт особенно важен, если учесть, что современная перевозка грузов требует больших скоростей, при которых это сопротивление еще больше возрастает.
Максимальная площадь фронтальной проекции грузового автомобиля или автопоезда ограничена соответствующими национальными и международными правилами и стандартами и обычно полностью используется. При этом кузова грузовых автомобилей и полуприцепов по размерам значительно превышают кабину автомобиля тягача, и, в частности, различие их высот оказывает отрицательное воздействие на процесс обтекания автопоезда воздухом. В Европе наиболее часто используются прицепы и особенно полуприцепы с высотой 3,6—3,8 м. Ширина их в соответствии с правилами дорожного движения большинства стран не должна превышать 2,5 м. Такой полуприцеп с острыми ребрами превышает тягач как по высоте, так и по ширине и нарушает безотрывное аэродинамическое обтекание всей системы «тягач — полуприцеп».
Еще одним фактором, ухудшающим обтекаемость, является широкий зазор между тягачом и прицепом. При движении в нем возникает сильное завихрение, вызывающее срыв воздушного потока, в особенности при боковом ветре.
Поэтому у таких грузовых автопоездов, имеющих большую полную массу, а также большую площадь фронтальной проекции, аэродинамическое сопротивление и сопротивление качению становятся одинаковыми при скорости порядка 80 км/ч. Коэффициент сх этих автопоездов достигает больших значений, главным образом из-за плохо обтекаемой формы. На рис. 25 приведены значения коэффициента сх в зависимости от угла между направлением воздушного потока и продольной осью автомобиля {угла натекания) для грузового.автомобилас прицепом А, для седельного тягача с полуприцепом Б и автобусщВ. Более обтекаемая форма, автобуса без боковых зазор:ов, острых граней и ступеней, менее подвержена влиянию бокового воздушного потока. Улучшению аэродинамики
натекания воздушного потока у на коэффициент сжнатекания воздушного потока у на коэффициент сжгрузовых автомобилей и автопоездов в настоящее время уделяется повышенное внимание, так как без больших изменений можно снизить расход топлива на 8— 10 %, что очень важно для экономичной транспортировки грузов. Исследования в аэродинамических трубах показывают, что перекрыванием зазоров между различными по высоте кабиной тягача и кузовом полуприцепа при одновременном улучшении формы кузова можно снизить
натекания воздушного потока у на коэффициент сж
натекания воздушного потока у на коэффициент сж
аэродинамическое сопротивление предельно на 48 %. Однако на практике этот максимум недостижим. У обычного седельного автопоезда сх = 0,8; установка аэродинамического щитка на крыше тягача улучшает его до 0,56, а полное перекрывание всех зазоров, устраняющее очаги завихрений, — до 0,48.
Основное внимание специалистов сосредоточено на аэродинамическом щитке, устанавливаемом на крыше тягача, который можно приспособить для полуприцепов различной высоты, меняя его угол наклона. Сравнительно небольшой щиток отклоняет воздушный поток таким образом, что он без завихрений переходит на обтекание крыши полуприцепа.
Важным является также обтекание нижней части грузового автомобиля, весьма ступенчатой и имеющей разновысокие выступы. Необходимо поэтому ограничить расход воздуха под автомобилем, что достигается при помощи переднего спойлера, установка которого в отличие от легкового автомобиля имеет целью, главным образом, уменьшение аэродинамического сопротивления. Спойлер устанавливается под передним бампером по всей ширине автомобиля так, чтобы его нижняя грань перекрывала нижнюю точку передней оси. На рис. 26 показано изменение сх седельного тягача с полуприцепом в зависимости от направления воздушного потока у при использовании аэродинамического щитка и переднего спойлера, получен- а ное в результате исследований фирмой МАН (ФРГ) [4]. ^Несмотря на то, что доля тягача в общем аэродинамиче- - с ком сопротивлении увеличивается, само оно значительно снижается — до сх = 0,5. Главной причиной такого сни-
жения является уменьшение сопротивления полуприцепа. '
Большие- аэродинамические потери вызывает завихрение воздуха в зазоре между автомобилем - и прицепом. У обычного прицепного автопоезда (грузового автомобиля и прицепа)- общий сж = 0,76. Скруглением вертикальных ребер -прицепа на его передней стороне л<ожно достичь улучшения сж на 5,5%. Дальнейшим путем снижения сж является установка вертикального.стабилизатора потока на передней стенке кузова прицепа. Этот стабилизатор разделяет пространство между автомобилем-тягачом и прицепом на две части и ограничивает завихрение. В результате сж снижается на 6,5 %.
Одновременной установкой стабилизатора и скруглением ребер достигается улучшение сх на 10%. Еще большего улучшения — до 12 % — достигают полным закрыванием зазора между автомобилем и прицепом. Упругое соединение, сгибающееся при прохождении поворота, обеспечивающее быстрое расцепление автопоезда и сохраняющее гладкую поверхность кузова, позволяет получить еще 2 % улучшения сх.
Описанными выше мерами можно уменьшить суммарное аэродинамическое сопротивление на 25—27 %, что дает экономию топлива до 6—8 %.
Для дальнейшего снижения значений сх при высоких скоростях автомобилей необходимо понижать переднюю часть кузова, и, если возможно, заднюю. Такой метод был проведен на экспериментальном автомобиле «Форд Проба IV», у которого переднюю часть кузова постепенно опускали, изменяя дорожный просвет от 155 до 25 мм, что вызвало улучшение сх до 0,157 при измерениях, проведенных на реальном автомобиле в аэродинамической трубе фирмы «Пинин Фарина».
Рис. 26. Улучшение коэффициента сж седельного тягача (А — одиночного; 5 — с полуприцепом) при использовании спойлеров и обтекателей:
а — исходное состояние без спойлеров и обтекателей; б — со спойлерами н обтекателями
Путем применения специальных шарикоподшипников на вертикальных шарнирах передней подвески «Макферсон», наклона двигателя на 70° и размещения радиатора за задними колесами удалось достичь требуемого снижения передней части автомобиля.
ВЛИЯНИЕ РАВНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ НА РАСХОД ТОПЛИВА
Значительное влияние на расход топлива оказывает способ вождения автомобиля. Наиболее близким к оптимальному является движение с постоянной скоростью по горизонтальному участку шоссе, когда необходимо преодолевать только сопротивление качению и аэродинамическое сопротивление. Расход топлива при таком дви- жении меньше, чем при движении по городу или дороге с переменным профилем с такой же средней скоростью.
Каждая остановка автомобиля и его новый разгон требуют значительной энергии. При остановке автомобиля его кинетическая энергия через торможение превращается в теплоту. При последующем разгоне автомобилю необходимо придать ускорение, чтобы достичь скорости, которую он имел до торможения. При этом ускорение нужно сообщить не только всей поступательно движущейся массе автомобиля, но и придать вращение маховику двигателя с кривошипным механизмом, всем шестерням в коробке передач и раздаточной коробке, карданным передачам, шестерням главной передачи и, наконец, всем колесам. Приведение всех этих масс к оси колес дает весьма значительные величины, в особенности на низких передачах.
У легкового автомобиля при первой передаче приведенные массы достигают 1,6—1,8 массы автомобиля, и даже на прямой передаче это значение все еще составляет 1,05—1,06. У грузовых автомобилей эти значения на низшей передаче доходят до 2,5—3. Поэтому, например, на первой передаче при использовании полной мощности двигателя грузовым автомобилем достигается меньшее ускорение, чем на второй.
Если принять во внимание, что при каждом переключении передачи необходимо уменьшать скорость вращения всех вращающихся масс двигателя, сцепления и части
Рис. 27. Влияние нагрузки двигателя на его механический КПД при постоянной частоте вращенияРис. 27. Влияние нагрузки двигателя на его механический КПД при постоянной частоте вращенияшестерен коробки передач, то следует задуматься над тем, каким способом можно устранить потери, возникающие при этом процессе.
Рис. 27. Влияние нагрузки двигателя на его механический КПД при постоянной частоте вращения
Рис. 27. Влияние нагрузки двигателя на его механический КПД при постоянной частоте вращения
При разгоне автомобиля его двигатель должен работать с наибольшей возможной
МОЩНОСТЬЮ в экономичной зоне характеристики, и его частота
вращения не должна, по возможности, изменяться. Такой режим работы двигателя требует бесступенчатой коробки передач, о которой речь пойдет ниже. После разгона и перехода на постоянную скорость движения требуемая мощность двигателя снижается. И в этом случае двигатель также должен работать при минимально возможном расходе топлива. Это осуществимо при частоте вращения двигателя, меньшей той, при которой достигается максимальная мощность двигателя. Поэтому неэкономично эксплуатировать двигатель длительное время на оборотах максимальной мощности и использовать при этом только ее часть. Мощность потерь в двигателе при его постоянных оборотах изменяется незначительно, но ее доля в общей мощности
с уменьшением нагрузки увеличивается, что вызывает ухудшение механического КПД. Этот КПД равен нулю при работе двигателя без нагрузки, т. е. на холостом ходу. Зависимость механического КПД т]м от степени использования мощности двигателя Ne при постоянной частоте вращения показана на рис. 27.
По этой причине при переходе на меньшую мощность целесообразно уменьшить обороты двигателя, включая более высокую ступень коробки передач (т. е. уменьшая передаточное отношение трансмиссии), и тем самым достичь одинаковой мощности, но при большей нагрузке двигателя и сниженном удельном расходе топлива. У современных бензиновых двигателей область наименьшего удельного расхода топлива находится в зоне частоты вра- щения, равной 50 % от максимальной и при почти пол-’ ностью открытой дроссельной заслонке карбюратора.
Характеристика мощности двигателя Ne в зависимости от его частоты вращения п приведена на рис. 28. Из общего поля удельных расходов топлива g можно выделить пунктирную кривую зависимости минимальных удельных расходов топлива от мощности двигателя. Вплоть до точки А эта кривая проходит ниже кривой максимальной мощности двигателя Ne. Это означает, что при снижении мощности двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, меньшей частоты вращения в точке А, удельный расход топлива снижается до значения, соответствующего пунктирной кривой, а потом вновь повышается. При мощности двигателя, большей, чем мощность в точке А, удельный расход топлива с ростом мощности только увеличивается. Для достижения минимального расхода топлива необходимо, чтобы при движении автомобиля двигатель постоянно работал в режиме, близком к тому, который обозначен пунктирной кривой.
В какой степени можно выполнить это условие, видно из графика мощностного баланса, изображенного на рис. 29. На графике показано изменение мощности сопротивления движению по горизонтальному участку шоссе (Nf + Ne) и при подъеме с уклоном 2 и 5 % (штрих- пунктирные линии). Сила, необходимая для преодоления подъема с уклоном 2 %, на горизонтальной дороге может придать автомобилю ускорение 0,1448 м/с2, а с уклоном
Рис. 28. Области удельных расходов топлива иа внешней характеристике двигателя: наибольшая мощность двигателя при минимальных удельных расходах топлива; g — кривые постоянных удельных расходов топлива
Рис. 29. Мощностной баланс легкового автомобиля:Рис. 29. Мощностной баланс легкового автомобиля:N^ — сопротивление качению; 7V^ + N^ — сопротивление движению по го- — наибольшая мощность на колесах при минимальных расходах топливаN^ — сопротивление качению; 7V^ + N^ — сопротивление движению по го- — наибольшая мощность на колесах при минимальных расходах топливаризонтальному участку шоссе; —. автомобиля на III, IV и V передачах двигателем
Рис. 29. Мощностной баланс легкового автомобиля:
Рис. 29. Мощностной баланс легкового автомобиля:
N^ — сопротивление качению; 7V^ + N^ — сопротивление движению по го- — наибольшая мощность на колесах при минимальных расходах топлива
N^ — сопротивление качению; 7V^ + N^ — сопротивление движению по го- — наибольшая мощность на колесах при минимальных расходах топлива
5 % — соответственно 0,362 м/с2. Сплошными кривыми показаны также Зависимости максимальной мощности на колесах автомобиля от скорости его движения при различных (III, IV или V) включенных ступенях коробки передач. Здесь же пунктирной линией нанесены кривые максимальной мощности на колесах автомобиля при работе двигателя с минимальными удельными расходами топлива.
Видно, что условиям достижения наименьшего удельного расхода топлива при движении с включенной IV передачей соответствует движение на подъеме с уклоном 4— 5 %. При движении по горизонтальному участку шоссе со скоростью 90 км/ч двигатель использует лишь 45 % своей мощности с соответствующим высоким удельным расходом топлива. Для полноты картины пунктирной прямой в нижней части графика отдельно изображена только мощность сопротивления качению Nf.
Если коробка передач имеет V ступень с общим передаточным отношением трансмиссии 3 : 1 (число в скобках), то нагрузка двигателя при движении по горизонтальному шоссе со скоростью 90 км/ч составит 67 %, и показатели топливной экономичности улучшатся. Запаса мощности при этом хватит только на преодоление подъема с уклоном 1 %. Оптимальные условия достигаются при движении
по горизонтальному шоссе на V ступени коробки передач со скоростью 107 км/ч и при отсутствии запаса мощности для преодоления подъема или разгона. На сплошных кривых частота вращения двигателя обозначена точками с цифрами, которые соответствуют числу тысяч оборотов в минуту.
В приведенном случае (и = 107 км/ч) двигатель работает при п = 3000 мин-1. Максимально достигаемая скорость при движении по горизонтальному участку шоссе на IV передаче была бы 140 км/ч, а на V передаче — только 124 км/ч. Таким образом, выбор передаточных отношений трансмиссии связан с определенными- трудностями.
Если бы высшая ступень коробки передач обеспечила приближение кривой мощности сопротивления движению к кривой мощности двигателя, оптимальной по удельному расходу топлива, то был бы достигнут минимальный расход топлива при движении по горизонтальному шоссе, но не осталось бы никакого запаса мощности для преодоления подъема или разгона. Автомобиль не мог бы быстро ускоряться и не обладал бы необходимой «эластичностью». При каждом изменении угла подъема или для дополнительного ускорения при обгоне надо было бы переходить на более низкую ступень в коробке передач.
Однако для обеспечения экономичного движения вне города такая высшая ступень коробки передач была бы выгодна. Неудобства частого переключения могла бы устранить автоматическая коробка передач, обеспечивающая при всех условиях оптимальную нагрузку двигателя при его хорошем механическом КПД.
Способ вождения также оказывает большое влияние на расход топлива. Водитель должен следить за тем, чтобы движение проходило с оптимально загруженным двигателем, т. е. при почти полностью нажатой педали управления дроссельной заслонкой карбюратора или топливным насосом. Когда достигается заданная (или желаемая) скорость, водитель не должен отпускать педаль, так как двигатель перейдет к работе с большим удельным расходом топлива. Поскольку продолжать ускорение дальше водитель не может (например, если он превысил допустимую правилами движения скорость), ему не остается ничего другого, как перевести коробку передач в нейтральное положение и далее двигаться по инерции. Такой режим
приводит к необходимости постоянного чередования разгона и- выбега (наката).
Описанный способ вождения «разгон — накат» давно известен и часто используется в соревнованиях на достижение минимального расхода топлива. Двигатель при этом постоянно работает в области, близкой к минимальному расходу топлива. При движении по инерции (накат) экономично вообще выключить двигатель, устраняя расход им топлива- при холостом ходе,’но при этом резко возрастает усилие на педаль тормоза с вакуумным усилителем.
Экономичное движение по горизонтальному шоссе заключалось бы в том, что нужно было бы разгонять автомобиль на V передаче при почти полной нагрузке двигателя до скорости 90 км/ч, затем выключить передачу в коробке, переведя двигатель в режим холостого хода или вообще выключив его, и двигаться по инерции до скорости 60 км/ч и даже ниже. Потом следовало бы снова, включив двигатель и передачу в коробке, разогнать автомобиль до скорости 90 км/ч. На рис. 29 такой режим изображен в виде замкнутого трапециевидного пунктирного контура в диапазоне скоростей 60—90 км/ч.
Такой режим, однако, тяжело реализовать на шоссе с интенсивным движением, так как нарушалось бы равномерное движение транспортного потока. Однако, если частое переключение передач и многократное повторение цикла «разгон — накат» приемлемо, то чередование 10-секундного разгона с 25-секундным накатом может обеспечить уменьшение расхода топлива на 2 л/100 км.
Такой способ вождения можно хорошо использовать на пересеченной местности с чередующимися подъемами и спусками. Значительно снижает расход топлива движение на длинных и пологих спусках с выключенным двигателем и ограничение торможений. Весьма поучителен график (рис. 30), на котором показаны четыре случая разгона автомобиля: при полностью открытой дроссельной заслонке карбюратора (100 %), при ее открытии на 75 %, при разрежении во впускном трубопроводе соответственно 53,3 и 74,7 кПа. На всех кривых зависимости скорости от пути разгона автомобиля можно найти точки, соответствующие моменту израсходования навесок топлива массой от 10 до 25 г.
При разгоне с открытой на 75 % дроссельной заслонкой автомобиль достиг скорости 65 км/ч, израсходовав 20 г топлива и проехав при этом 200 м. Затем последовало 64
движение накатом, закончившееся торможением в конце испытательного участка общей длиной 800 м.
Когда автомобиль разгоняли при разрежении во впускном трубопроводе 53,3 кПа, то он достиг скорости 60 км/ч, израсходовав 22 г топлива и перейдя на движение по инерции приблизительно через 300 м.
Разгоняя автомобиль рис jq Зависимость скорости автомо- при разрежении во биля и в процессе разгона от пути S впускном трубопрово- при разных способах разгона.
де 74,7 кПа, достигли
скорости 52 км/ч, израсходовав 27 г топлива. Во всех случаях был пройден путь 800 м, но при разгоне с частичной нагрузкой двигателя расход топлива был больше на 10—35 %, причем, чем меньше открыта дроссельная заслонка, тем больше возрастает расход топлива.
При движении в городе можно экономить топливо при разгоне с открытой на 3/4 дроссельной заслонкой, но лишь
в диапазоне средних частот вращения двигателя и при скорости, достаточной для преодоления накатом расстояния до следующего перекрестка. При длительных остановках двигатель необходимо выключать. Такая манера вождения автомобиля является наиболее экономичной и позволяет сэкономить до 50 % топлива. О числе ступеней в коробке передач и их передаточных отношениях речь пойдет в следующих главах.
Торможение не должно всегда нести с собой потери энергии. Энергию, необходимую для уменьшения скорости движения автомобиля, можно аккумулировать и снова использовать при последующем начале движения. Особенно легко это обеспечить у электромобилей, так как при торможении приводные двигатели работают как генераторы, и вырабатываемая ими энергия используется для зарядки аккумуляторов. У троллейбусов и электровозов возникающие при торможении обратные токи направляются в питающую сеть. Применив электропривод у транспортных средств с двигателями внутреннего сго-
рания, можно было бы использовать накопление энергии в электрических аккумуляторах, однако такие схемы привода имеют большой вес и очень дороги.
В условиях движения по холмистой местности самым простым способом аккумулирования энергии является увеличение скорости автомобиля на спусках. При разгоне на спуске за счет инерции автомобиль может проехать затем накатом значительную часть следующего подъема. При этом потери энергии топлива практически не происходит. При включенной коробке передач аккумулирование энергии незначительно,- так как потери на трение с увеличением частоты вращения быстро растут и на их преодоление уходит практически вся энергия, которую можно было бы аккумулировать.
Торможение двигателем по потерям энергии равнозначно обычному Торможению. Различие состоит в том, что при таком способе торможения изнашиваются не тормозные накладки, а элементы двигателя и трансмиссии: цилиндры, поршни, валы, подшипники, зубчатые колеса. При торможении трением, т. е. переключением на низшую передачу в коробке, можно убедиться, как велики потери энергии в двигателе.
АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ТОРМОЖЕНИИ
И ГИБРИДНЫЕ ПРИВОДЫ
В предыдущей главе была рассмотрена целесообразность движения с изменяющейся скоростью и указано на возможность повышения экономичности при аккумулировании энергии, теряемой в процессе торможения.
При торможении теряется от 15 до 60 % кинетической энергии, придаваемой автомобилю двигателем. Доля этой потери зависит от вида автомобиля и типа движения (город, шоссе). На математических моделях было установлено, что если бы использовалось лишь несколько процентов этой энергии, то в условиях городского движения расход топлива автомобилем снизился бы на 20— 30 %. Решение этой проблемы привлекает поэтому большое внимание специалистов.
Как уже отмечалось, довольно просто решается проблема аккумулирования энергии, теряющейся при тормо- 66
жении, у электромобилей. Если говорить об электромобилях с собственным электрическим аккумулятором, то для этого достаточно использовать приводной электродвигатель как генератор, который будет заряжать аккумулятор. Последний должен обеспечивать достаточный пробег электромобиля без перезарядки, иметь поэтому высокую емкость и, следовательно, способность запасать значительную энергию.
Кроме энергии при торможении можно аккумулировать и энергию при спуске с длинных пологих склонов.
Наиболее выгодны условия аккумулирования энергии угавтомобилей, предназначенных для эксплуатации в качестве средств городского транспорта с частыми остановками. Энергия, полученная за время движения между двумя остановками, не слишком велика, но если ее сразу использовать для последующего разгона, то аккумулятор будет иметь небольшой объем и его можно легко разместить в автомобиле.
При эксплуатации легкового автомобиля кроме торможения на горизонтальных участках дорог можно утилизировать также и торможение на длинных пологих спусках, однако чтобы запасти достаточное количество энергии, необходим аккумулятор больших размеров, а это приводит к потере полезного объема кузова и увеличению массы. По этой причине опыты с аккумуляторами проводятся большей частью на городских автобусах.
У электромобилей, получающих энергию из контактной (троллейной) сети, возможность аккумулирования энергии практически не имеет границ. В этих случаях электрическое аккумулирование достаточно просто осуществимо. Тяговый двигатель при переходе в генераторный режим становится элементом тормозной системы, эффективность которого, однако, снижается с падением частоты вращения и который не может остановить автомобиль и удерживать его в заторможенном состоянии. Поэтому он должен быть дополнен обычным стояночным тормозом, приводимым в действие при малых скоростях перед остановкой автомобиля. Энергию стояночного тормоза аккумулировать невозможно.
Так как в большинстве случаев автомобиль обычно имеет только одну ведущую ось, то и электрический тормоз действует также лишь на нее.. В качестве ведущей выгоднее использовать заднюю ось, которая при разгоне и движении на подъеме загружена больше. Для торможе-
ния более пригодна передняя ось, нагрузка на которую больше при замедлении автомобиля и при движении на спуске. На границе скольжения колеса в этом случае задняя ведущая ось не сможет аккумулировать столько энергии, сколько нужно ее использовать при разгоне.
Для экстренного торможения недостаточно тормозов только на одной оси, особенно на задней. Поэтому полная возможность аккумулирования э'нергии ведущей осью ограничена, а устройства для утилизации энергии торможения на передней неведущей оси весьма сложны.
Наиболее подходящие условия аккумулирования энергии при торможении имеются в метрополитене. Движение между двумя станциями достаточно равномерное и в отличие от городских автобусов происходит без торможения и остановок на перекрестках. В связи с тем, что большинство пассажиров в метро стоит, интенсивность торможения довольно низкая, и выгодно торможение только тяговым двигателем; стояночный тормоз применяется лишь перед полной остановкой состава.
Экономия энергии, достигаемая аккумулированием, была проверена в метрополитене г. Нью-Йорка в цикле движения с 76 остановками. В испытательных вагонах, включенных в процесс обычной эксплуатации, были установлены инерционные (маховичные) аккумуляторы, приводимые электродвигателем.
Каждый вагон имел два инерционных аккумулятора, размещенных под полом, в связи с чем диаметр маховика был ограничен 500 мм. Аккумулятор состоял из четырех маховиков, расположенных в общем герметичном корпусе с давлением воздуха, равным 1/30 атмосферного давления, что позволяло снизить аэродинамические потери энергии при вращении маховиков. Масса каждого из маховиков —• 68 кг. Для торможения и разгона поезда используется диапазон частоты вращения маховиков 9800—14 000 мин*1. На валу каждого аккумулятора был установлен генератор, предназначенный для ускорения или торможения маховика.
Если частота вращения маховика снижается до нижней границы рабочего диапазона, то маховик ускоряется за счет подвода энергии из сети питания. Нижняя граница рабочего диапазона частоты вращения установлена так, чтобы при нарушении подачи электроэнергии кинетической энергии маховиков хватило бы для достижения 68
Рис. 31. Схема работы инерционного аккумулятора вагона метроРис. 31. Схема работы инерционного аккумулятора вагона метро
Рис. 31. Схема работы инерционного аккумулятора вагона метро
Рис. 31. Схема работы инерционного аккумулятора вагона метро
политена
ближайшей станции. При остановке вагона с вращающимся маховиком энергию можно отвести в сеть.
Принцип работы системы изображен на рис. 31. Аккумулятор S электрически соединен с блоком регулирования X и с тяговым двигателем М на ведущей оси вагона. При торможении (схема /) ведущее колесо вагона приводит в движение электродвигатель М, который, работая в режиме генератора, обеспечивает разгон маховика аккумулятора. Соединение регулятора с сетью при этом прервано.
При последующем разгоне (схема 2) вращающийся маховик через свой генератор передает энергию электродвигателю М и одновременно на этот двигатель поступает также энергия из сети. Таким'образом сеть питания при разгоне частично разгружается.
После достижения поездом эксплуатационной скорости (схема 3) регулятор X отключит подачу энергии от генератора маховика и оставит только питание из сети. Введение в эксплуатацию таких вагонов с маховичными аккумуляторами позволило сэкономить 30 % энергии.
ИНЕРЦИОННЫЕ ПРИВОДЫ
Так называемый гиробус швейцарской фирмы «Эрли- кон», изготовленный еще до второй мировой войны, приводился в движение только инерционным аккумулятором, который на остановках получал энергию от собственного электродвигателя, питавшегося от контактных стержней, размещенных в местах остановок. Такой автобус был экологически чистым, бесшумным и не требовал создания троллейной сети. Из-за этих качеств он был особенно целесообразен для перевозок пассажиров в курортных городах.
По такому же принципу работает и гиробус, созданный фирмой «Дженерал Электрик» (США) (рис. 32). В отличие от гиробуса фирмы «Эрликон» он имеет более современную конструкцию и снабжен устройством, позволяющим аккумулировать энергию при торможении.
Маховик / с электрической машиной, служащей для привода маховика и выработки электрической энергии для тягового электродвигателя, размещен в герметичном корпусе, наполненном водородом. Водород легче воздуха почти в 10 раз, и поэтому при атмосферном давлении он обеспечивает значительное уменьшение потерь на трение в системе «маховик — газ». Поддерживать постоянной небольшое разрежение в корпусе, заполненном водородом, легче, чем при его заполнении воздухом.
Маховик сварен из стальных пластин и имеет максимальную частоту вращения 10 000 мин-1. Аккумулированная таким способом энергия достаточна для того,
Рис.32. Инерционный аккумулятор гиробуса фирмы «Дженерал Электрик»;
1 — маховик с генератором; 2 — электродвигатель постоянного тока; 3 —• электронный переключатель-регулятор; 4 — контактные штанги для зарядки иа остановках
чтобы автобус массой 12 700 кг проехал расстояние в 5,6 км. Без отбора мощности на привод вспомогательных агрегатов (отопление, вентиляция, сервоуправление, освещение) можно увеличить запас хода до 11 км. При этом частота вращения маховика упадет до 5000 мин-1, что гарантирует подъезд к ближайшей станции зарядки аккумулятора. Повторный разгон маховика длится 90 с. Маховик в сборе весит 1500 кг и размещается в задней части автобуса за ведущей задней осью.
Тяговый электродвигатель постоянного тока 2 для раскручивания маховика размещен перед задней осью, 4 электронное устройство управления 3 — в средней части автобуса непосредственно под полом. Оно предназначено для регулирования частоты вращения маховика при его разгоне, а также для отбора энергии, требуемой для движения автобуса.
В настоящее время испытываются некоторые дополнительные устройства, которые позволяют разгонять маховик не только на остановках, но и при движении. Для этого короткий участок пути снабжается троллейным проводом, и при соединении с ним контактных штанг 4 автобуса вращение маховика может быть ускорено во время движения. В этом случае устраняется зависимость транспортного средства от размещения станций, и оно может проехать практически любое расстояние в пределах оборудованного пути без остановки.
При приводе автомобиля от маховика или при разгоне последнего необходима плавно регулируемая (бесступенчатая) трансмиссия. Например, при использовании энергии маховика его частота вращения постепенно уменьшается и для поддержания постоянной скорости движения транспортного средства передаточное число трансмиссии между маховиком и ведущим мостом должно также плавно уменьшаться. При разгоне маховика в период торможения автомобиля необходимо обеспечивать противоположный процесс. Ъ случае использования электропривода с генератором переменного тока необходимо плавное изменение электрической частоты. Регулятор, Требующийся для этого, сложен, имеет большие габариты и по этой причине использование такого устройства в легковых автомобилях невыгодно.
Для плавного изменения частоты вращения применяется и гидростатическая передача, принципиальная схема которой включает в себя насос с бесступенчатым
изменением объема и гидродвигатель. Подробное описание такого устройства будет приведено в главе о трансмиссиях.
ГИБРИДНЫЕ ПРИВОДЫ
Гибридные транспортные средства имеют два вида тяги, которые меняются или взаимно дополняют друг друга. Наиболее известной является комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Причина использования таких гибридных автомобилей заключается в том, что свинцовый электроаккумулятор слишком тяжел, если он должен самостоятельно обеспечивать движение с достаточной скоростью и на значительные расстояния. При движении вне города, где требования к чистоте выхлопных газов не так строги и, как правило, имеется возможность длительного равномерного движения, выгодно использовать небольшой двигатель внутреннего сгорания, а при въезде в городскую черту включать электродвигатель.
В такой комбинации аккумулятор не будет слишком большим и тяжелым, а заряжать его можно либо при движении вне города, либо на стоянках через собственный генератор.
Пример такого гибридного автомобиля изображен на рис. 33. Создателем этого образца является моторостроительная фирма «Бриггс энд Страттон» (США). Один из двигателей, выпускаемых этой фирмой, — двухцилиндровый, воздушного охлаждения с рабочим объемом 694 см3 и мощностью 14 кВт при 3600 мин-1 применен для обеспечения привода автомобиля.
Рис. 33. Легковой автомобиль фирмы «Бриггс энд Страттон» с гибридным приводом
Рис. 34. Схема гибридного привода от двигателя внутреннего сгорания и инерционного маховика
Автомобиль весит 1450 кг, из которых 450 кг приходится на аккумуляторы. В нем использована трехосная х’одовая часть автомобиля фирмы «Маратон Электрик», способствующая хорошему распределению массы по осям, поскольку в задней части автомобиля размещены заменяемые при зарядке аккумуляторы. Ведущей является средняя ось.
Автомобиль фирмы «Бриггс энд Страттон» предназначен для перевозки двух взрослых пассажиров, двух детей и багажа. При электроприводе он достигает скорости 65 км/ч, с бензиновым двигателем — 72 км/ч. В режиме совместной работы двух двигателей — 88,5 км/ч, что соответствует максимальной скорости движения в городе, установленной правилами движения в США. Максимальный расход топлива — 9,4 л/100 км. Если движение осуществляется преимущественно за счет электропривода, то расход топлива меньше. Запас хода, обеспечиваемый аккумуляторами, составляет 100 км. В автомобиле фирмы «Бриггс энд Страттон» не предусмотрено заряжать аккумуляторы от собственного двигателя внутреннего сгорания \
Схема соединения двигателя внутреннего сгорания и инерционного аккумулятора показана на рис. 34. Двигатель внутреннего сгорания 1 через муфту выключения 2 связан с раздаточной коробкой 3, которая соединяет привод ведущей оси 7 либо с двигателем внутреннего сгорания, либо с инерционным аккумулятором 5. За раздаточной коробкой находится муфта сцепления .4 и автоматическая многоступенчатая коробка передач 6 без гидротрансформатора.
Такая более совершенная схема гибридного привода применена в конструкции автомобиля-тягача фирмы «Штил» (ФРГ), используемого как средство промышленного транспорта на предприятиях, — Примеч. ред.
Раздаточная коробка содержит зубчатый редуктор для привода маховика (либо автоматическую двухступенчатую передачу, обеспечивающую возможность изменить передаточное отношение между маховиком и двигателем), а также дифференциал для распределения мощности двигателя внутреннего сгорания между ведущей осью автомобиля н инерционным аккумулятором. Управление описанной системой производится в зависимости от режима движения и профиля дороги электронным регулятором (на рис. 34 не показан).
Гибридный привод с аккумулятором малой мощности прежде всего найдет применение в городских автобусах.. Экономия энергии в этом случае достигает 25 %, что с избытком покрывает затраты на дорогую гибридную силовую установку. Автомобильные фирмы МАН и «Мер-- седес-Бенц» (ФРГ) интенсивно работают над созданием автобуса с гибридным двигателем. Фирма МАН сосредоточила внимание на аккумулировании энергии в гидравлическом масляном аккумуляторе и создании гидростатического привода, в то время как фирма «Мерседес-Бенц» использует инерционный аккумулятор.
Максимальное давление масла в гибридной схеме фирмы МАН составляет 33 МПа. Гидросистема имеет резервуары с низ'ким и высоким давлениями масла. При торможении автомобиля двигатель внутреннёго сгорания отключается от ведущей оси муфтой сцепления, приводной гидродвигатель начинает работать в режиме насоса, вращаемого ведущими колесами, и закачивает масло в резервуар высокого давления. При номинальном давлении в этом резервуаре энергии жидкости достаточно для разгона автомобиля с места до скорости 50 км/ч.
При поддержании этой скорости для преодоления аэродинамического сопротивления и сопротивления качению можно использовать двигатель внутрённего сгорания меньшей мощности. Фирма МАН готовит 80 автобусов с гибридным приводом, в которых будет использован четырехцилиндровый двигатель мощностью 100 кВт вместо применяемого сегодня шестицилиндрового мощностью 147 кВт. Мощность на колесах автобуса, однако, не уменьшится благодаря применению аккумулятора. К преимуществам автобусов с гибридной схемой привода относятся также меньшие уровни шума при движений и выброса с отработавшими газами вредных веществ, загрязняющих окружающую среду.
Автобус фирмы «Мерседес-Бенц», использующий инерционный аккумулятор, может накапливать 1,5 кВт-ч энергии, автобус фирмы МАН — 0,33 кВт.ч. -Муфты выключения и сцепления могут соединять ведущую ось с аккумулятором или двигателем (см. рис. 34). Маховик диаметром 500 мм и массой 100 кг изготовлен из стали и работает в диапазоне частоты вращения 8900— 12 000 мин""1. Разработан и изготовляется маховик из графитоволоконного материала с максимальной частотой вращения 28 000 мин-1 и массой 24 кг.
Интересна комбинация гидростатической передачи С инерционным аккумулятором у городского автобуса шведской фирмы «Вольво». Схема соединения та же (см. рис. 34), но вместо коробки передач 6 применен гидростатический привод. Масляный резервуар высокого давления в этом случае заменен инерционным аккумулятором. Дизель обеспечивает поддержание Частоты вращения аккумулятора на требуемом уровне. Возможны следующие режимы работы привода:
при разгоне используется мощность двигателя (100 кВт) и аккумулятора (125 кВт), т. е. суммарно 225 кВт;
автобус движется только за счет дизеля мощностью 100 кВт при отключенном аккумуляторе;
автобус движется только за счет энергии аккумулятора с-отключенным двигателем.
В последнем случае запас хода автобуса составит. 1200 м с тремя остановками.
При использовании гидростатической передачи обеспечивается плавный разгон автобуса с ускорением 1,6 м/с2, что создает комфортные условия для стоящих пассажиров. Благодаря аккумулированию энергии при торможении удается снизить расход топлива на 15—25 %. При равномерном движении избыточная мощность двигателя используется для заполнения масляного резервуара высокого давления.
Аналогичный принцип используется и в гибридном приводе экспериментального электромобиля фирмы «Гаррет», США. Дак известно, срок службы электрического аккумулятора зависит не только от количества энергии, которую он может аккумулировать, но и от способа разрядки. Быстрая разрядка сильным током повреждает аккумулятор и уменьшает срок его службы. Наибольшее
Рис. 35. СхемаРис. 35. Схемагибридного привода элекгибридного привода электромобиля фирмы «Гаррет Эр-рисёрч»тромобиля фирмы «Гаррет Эр-рисёрч»время безотказной работы обеспечивается при непрерывной разрядке током средней величины.
Рис. 35. Схема
Рис. 35. Схема
гибридного привода элек
гибридного привода элек
тромобиля фирмы «Гаррет Эр-рисёрч»
тромобиля фирмы «Гаррет Эр-рисёрч»
Однако движение в городе требует частых ускорений, т. е. сильного разрядного тока после каждой остановки. Движение с максимальной ско- ростью также требует повышенной мощно-
сти двигателя ответственно ких значенийсти двигателя ответственно ких значенийи со- высо-и со- высо-рядного тока.рядного тока.раз-
сти двигателя ответственно ких значений
сти двигателя ответственно ких значений
и со- высо-
и со- высо-
рядного тока.
рядного тока.
Эти способы движения ведут к быстрой
разрядке аккумулятора и существенно снижают срок его службы.
Свинцовый аккумулятор с плотностью энергии около 30—40 Вт-ч/кг довольно мало чувствителен к быстрой разрядке сильным током. Аккумуляторы с большой плотностью энергии 100 Вт-ч/кги выше выдерживают меньше циклов разрядки и зарядки и имеют более короткий срок службы. Стоимость их довольно высока, и при малой долговечности замена аккумуляторов обходится дорого.
Поэтому для электромобилей также нужен неэлектрический аккумулятор энергии, который обеспечивает под
питку при пиковых нагрузках и тем самым защищает батарею электрических аккумуляторов от так называемых ударных нагрузок. Кроме того, при рекуперации энергии торможения в фазе последующего разгона значительно увеличивается запас хода электромобиля. Схема использования инерционного аккумулятора в электромобиле фирмы «Гаррет» показана на рис. 35.
Валы инерционного аккумулятора-маховика 8 и двух электрических машин постоянного тока 5 и 7 связаны между собой зубчатой передачей с планетарным дифференциалом 6 и обгонной муфтой. Обе электрические машины могут работать как в режиме двигателя, так и в ре
жиме генератора совместно с электрическим аккумулятором 3. Вычислительно-управляющий блок 4 с педалью управления нагрузкой 1 и педалью торможения 2 служит
для управления этим гибридным приводом. Для трогания с места и разгона используется энергия маховика, который может отдавать ее как механически, непосредственно на колеса, так и через преобразование в электроэнергию посредством электрических машин и аккумулятора. При движении с невысокой постоянной скоростью используется только электропривод от накопленной в аккумуляторе электроэнергии. При торможении кинетическая энергия электромобиля преобразуется одной электрической машиной 7 в электроэнергию, которая далее через вторую эдектрическую машину 5 вновь трансформируется в меха- г^ческую энергию, передаваемую и накапливаемую маховиком.
Изменение во времени скорости электромобиля, разрядного тока аккумулятора и частоты вращения маховика при движении на городском маршруте протяженностью 12 км в течение 23 мин с двадцатью остановками показано на рис. 36. Разряд аккумулятора имеет равномерный характер со средним значением тока 50 А и максимальным током, не превышающим 60 А. Участок, преодолеваемый между 200 и 300 с, характеризует движение с максимальной скоростью по шоссе, когда требуемая движущая сила больше, чем та, которую способен обеспечить электрический аккумулятор. В данном случае значительную часть требуемой энергии обеспечивает маховик, что видно
Рис. 36. Изменение скорости о электромобиля, разрядного тока 7 аккумулятора и частоты вращения п маховика электромобиля «Гаррет Эр-рнсёрч» за время т движения по городскому маршруту протяжённостью 12 км
по уменьшению его частоты вращения. При этом ток аккумулятора не превышает допустимой величины.
При дальнейшем движении ток от недогруженного аккумулятора и энергия, рекуперируемая при торможении, разгоняют маховик, так что в конце маршрута частота вращения маховика равна начальной.
Опытный образец гибридного электромобиля «Гаррет» имеет массу 1540 кг при массе аккумуляторов 499 кг. Время разгона до 48 км/ч составляет 7 с, до 80 км/ч — 15,5 с. От 40 км/ч до 88,5 км/ч автомобиль разгоняется за 10 с. Серийный автомобиль может быть несколько легче, и его запас хода должен составить более 145 км. -
При частоте вращения 25 000 мин-1 маховик имеет энергию 1 кВт.ч, емкость свинцового аккумулятора 18 кВт.ч. Всю энергию маховика можно использовать за короткий промежуток времени, избежав тем самым нежелательного высокого разрядного тока аккумулятора. Маховик изготовлен из волоконного материала «кевлар» (см. ниже) и, имея массу 12,7 кг, может аккумулировать энергию с плотностью 79,3 Вт-ч/кг. Легкий маховик не требует массивного корпуса, служащего для обеспечения безопасности в случае аварии маховика. Герметизация и создание в корпусе разрежения снижает, как уже говорилось, аэродинамические потери при вращении маховика,
Повреждение легкого маховика из кевлара может возникнуть при разгерметизации корпуса. Во время испытаний герметичность' корпуса нарушили при частоте вращения маховика 25 000 мин-1, что привело к сильному разогреву маховика за счет трения о воздух, деформации его материала и в итоге — заклиниванию стенкой корпуса, которое наступило через 2 с после разгерметизации.
Влияние гироскопического момента маховика на движение автомобиля при прохождении им поворота ограничено, так как направление вращения маховика противоположно направлению вращения колес автомобиля. Кроме того, электрический аккумулятор на этом электромобиле заключен в легкий корпус из пластмассы и имеет плотность энергии 39,6 Вт. ч/кг. Срок его службы вдвое выше, чем у обычного свинцового. Он выдерживает 800 циклов перезарядки в отличие от 300—500, достигнутых у серийных аккумуляторов в настоящее время.
УМЕНЬШЕНИЕ МАССЫ АВТОМОБИЛЯ
Масса автомобиля оказывает значительное влияние на его эксплуатационную экономичность. Отношение массы автомобиля к его полезной нагрузке (так называемая удельная материалоемкость) должно быть по возможности ниже, так как характеризует балласт, приходящийся на единицу полезной нагрузки. При неполном использовании грузоподъемности эта величина возрастает, и расход топлива, отнесенный к единице транспортной работы (тонно-километр), увеличивается. Масса автомобиля оказывает влияние как на сопротивление качению, так и на динамические качества автомобиля, а также на способность преодолевать подъем. Изменение аэродинамического сопротивления автомобиля от массы, как уже говорилось, не зависит. Большое влияние масса автомобиля оказывает и на его стоимость. Чем выше серийность выпуска автомобиля, тем больше влияют на его стоимость цены и количество используемых материалов и тем меньше влияние затрат на конструкторские и исследовательские работы.
Итак, снижение, массы для экономичной эксплуатации является весьма важным. Существует ряд эмпирических формул для расчета' расхода топлива в зависимости от массы автомобиля. На каждые 100 кг снаряженной массы легкового автомобиля (без пассажиров) приближенно принимают расход бензина порядка 1 л/100 км. По такой формуле автомобиль массой 600 кг должен потреблять в среднем 6 л/100 км, а автомобиль массой 1100 кг— 11 л/100 км. Эта закономерность в целом справедлива в настоящее время, хотя более точные современные формулы определяют, что на каждые 100 кг увеличения массы автомобиля расход топлива растет на 0,7 л/100 км. В этой зависимости нашло отражение снижение расхода топлива у автомобилей большого класса путем введения ограничений на минимально допустимую скорость.
ВЛИЯНИЕ НАЗНАЧЕНИЯ И КОНСТРУКТИВНОГО РЕШЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ НА ЕГО МАССУ
Размещецие двигателя непосредственно у ведущей оси предполагает снижение массы /автомобиля, поскольку в этом случае передача мощности от двигателя к ведущим
Рис. 37. Двигатель, расположенный в задней части автомобиля в едином блоке с коробкой передач и главной передачей
колесам происходит по более короткому пути, означающему экономию материала в трансмиссии. В таких конструкциях двигатель с коробкой передач и главной передачей образует одно целое, и весь этот блок легче по сравнению с раздельным размещением агрегатов. В качестве примера на рие. 37 изображен продольно расположенный в задней части автомобиля двигатель, образующий с коробкой передач и главной передачей единый компактный блок. Размещение главной передачи под двигателем создает возможность для лучшего использования пространства под капотом и косвенно влияет на габариты и массу автомобиля.
Общий картер коробки передач и главной передачи часто снабжается и общим масляным картером, что упрощает техническое обслуживание. Такой способ используется у автомобилей с поперечным расположением двигателя и цилиндрической главной передачей. Если, главная передача имеет гипоидное зацепление, то для ее работы требуется другой тип масла, чем для коробки передач и, следовательно, масляные картеры двигателя, коробки передач и главной передачи отделены друг от друга.
Привод на колеса проще осуществляется у автомобилей с задним расположением двигателя. Каждая полуось при этом может быть снабжена только одним шарниром возле картера главной передачи, допускающим небольшие амплитуды колебаний, например, при однорычажной подвеске *. Другие типы подвески требуют дополнительного шарнира у колеса. Этот шарнир имеет меньший диапазон угловых колебаний и часто заменяется простой резинометаллической муфтой.
В случае передней ведущей оси шарнир привода управляемого колеса более сложен и должен отвечать требованиям работы при больших наклонах колеса. Для этой цели применяется шарнир равных угловых скоростей, который дороже и имеет несколько большую массу, что увеличивает нежелательную величину общих неподрессо- ренных масс автомобиля .
Наибольшую массу имеет автомобиль с передним расположением двигателя и задними ведущими колесами. В этом случае необходим карданный вал между коробкой передач и задним мостом, имеющий большую длину, массу и требующий формирования тоннеля в днище кузова автомобиля. На обоих концах карданного вала имеются шарниры, в особенности, если используется зависимая задняя подвеска. При этом Применяются крестообразные шарниры, снабженные игольчатыми подшипниками с постоянным заполнением смазкой.
Если карданный вал имеет большую длину и его трудно сбалансировать, то он обычно разделен на две половины. Подшипник, размещаемый в середине, закреплен на кузове упруго во избежание передачи вибраций. Такой способ привода ведущей оси имеет ряд крупных недостатков по сравнению с другими методами, прежде всего — большую массу и стоимость. При использовании длинного карданного вала, кроме того, часто увеличиваются шум и вибрации в кузове.
При размещении коробки передач сзади и объединении ее с главной передачей масса трансмиссии уменьшается
мало. Соединительный вал между двигателем и коробкой передач вращается с той же угловой скоростью, что и коленчатый вал двигателя, и требует совместной балансировки. Такая схема трансмиссии применяется только в тех случаях, когда необходимо загрузить задний мост и уменьшить нагрузку на передний или когда коробка передач, имея большие размеры, слишком выступает внутрь кузова и ограничивает пространство для управления педалями.
Чтобы автомобиль был экономичным, он, как уже говорилось выше, должен двигаться с полной нагрузкой двигателя. Шестиместный автомобиль с большим багажником с высокой максимальной скоростью не может быть экономичным, если используется одним пассажиром для поездок на работу.
Если автомобиль предназначен для поездок на работу, а в выходные дни — за город, то он должен быть четырехместным (или со схемой сидений «2 места для взрослых. + + 2 места для детей») и иметь небольшой багажник. Такая машина может перевозить и четырех пассажиров на короткие расстояния без багажа, например, в театр. При поездке за город на отдых можно использовать задние сиденья для дополнительного багажа. Максимальная скорость такого автомобиля может быть небольшой, и вполне достаточно, если она будет немного превышать скорость, допускаемую правилами дорожного движения.
Небольшие габариты автомобиля облегчают стоянку и движение в условиях города. Так как диаметр колес легкового автомобиля небольшой, то он может иметь две большие двери, обеспечивающие удобную посадку на передние сиденья. Наклоняя спинки сидеиий, можно внутри кузова разместить крупные предметы. Выгодным является наличие третьей задней двери, а также возможность увеличивать объем кузова для размещения багажа за счет откидывания спинок задних сидений.
Малый диаметр колес уменьшает неподрессоренную массу, что необходимо для легкового автомобиля, чтобы достичь хорошей плавности хода. Запасные части небольшого автомобиля дешевы, и поэтому он всегда будет пользоваться повышенным спросом потребителей.
Для большой семьи, и прежде всего — для поездок на отдых, необходим автомобиль средних размеров. Хорошим примером для этих целей может служить автомобиль с кузовом типа «универсал». Поездки по городу на таком 82
автомобиле без пассажиров или с, одним пассажиром, однако, невыгодны.
Если автомобиль предназначен исключительно для поездок на отдых, то лучше всего использовать машину целевого назначения — специальный «жилой» автомобиль или прицеп-кемпинг. Для «жилых» автомобилей обычно используют шасси малых грузовых автомобилей, часто с дизельным двигателем. В этих автомобилях высота кузова, обеспечивающая возможность стоять в полный рост, весьма велика. При этом растут аэродинамическое сопротивление и масса автомобиля, ухудшается его маневренность. В случае использования заднего привода и зависимой задней подвески со сдвоенными колесами конструкция такого автомобиля становится весьма сложной. Конструкторские решения со сдвижной крышей нельзя назвать практичными, поэтому лучше всего использовать специально разработанное или измененное шасси с двигателем сзади или же с передней ведущей осью.
Пример автомобиля, специально созданного фирмой «Дженерал Моторе» (США) как «дача на колесах», показан на рис. 38. Автомобиль выполнен по схеме с передней ведущей осью, две задние оси позволяют простой монтаж колес, поскольку их подвеска обеспечивает отсутствие выступания колес в кузов.
Проходимость такого автомобиля — жилого фургона — довольно ограниченна, и для ее улучшения иногда прибегают к запасной системе дополнительного электрического или гидравлического привода на задние колеса. В этом случае стоимость автомобиля значительно возрастает.
Для длинных переездов между городами необходим большой малошумный автомобиль с большой плавностью хода и высоким уровнем комфорта, включая возможность подключения к телефонной сети.
Сказанное выше показывает в общих чертах классификацию автомобилей по различным категориям. Каждая из них должна соответствовать особым, характерным именно для нее требованиям, и экономичность эксплуатации не может служить единственным критерием оценки того или иного автомобиля. Существует множество категорий автомобилей различного назначения. Однако для них всех снижение массы автомобиля является безусловно желательным.
ВЛИЯНИЕ ТРЕБОВАНИЙ
К БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЯ
НА ЕГО МАССУ
Минимальные наружные и максимальные внутренние размеры кузова являются необходимым условием достижения малой массы автомобиля. У легковых автомобилей почти всегда применяют несущий кузов. С точки зрения обеспечения прочности, на первый взгляд, представлялось бы правильным, чтобы большей массой обладала часть кузова между осями, а передняя и задняя части были бы легче. Однако это правило действительно лишь отчасти. К этим частям кузова, называемым свесами, предъявляются особые требования, обусловленные необходимостью безопасного движения. В случае аварии эти части кузова должны за счет пластической деформации уменьшить воздействие на пассажиров, возникающее при столкновении больших значений отрицательного ускорения. Деформирующиеся зоны передней и задней частей кузова должны обеспечивать прогрессивную деформацию при ударе, что требует применения кузовных элементов специальной конструкции, в том числе для крепления бамперов, и поэтому масса этих частей мало отличается от массы средней части кузова.
При лобовом столкновении необходимая большая пластическая деформация передней части кузова обеспечивается отсутствием в ней особо, жестких элементов, препятствующих деформации. Пластическая деформация распространяется вплоть до передних колес, поэтому с точки зрения повреждаемости двигателя и радиатора желательно, чтобы они не выходили за переднюю границу колес. Картер рулевого механизма должен быть помещен в специальном защищенном пространстве. Перемещение рулевой колонки внутрь кузова часто бывает причиной опасных травм грудной клетки водителя, поэтому величина этого перемещения строго ограничена и определяется при испытаниях на столкновение. Между рулевым колесом и рулевым механизмом управления устанавливается элемент, способный безопасно передавать крутящий момент, но не переносить осевое усилие. И при использовании таких деталей можно достичь экономии массы, например, путем замены двух шарниров тонкостенной трубой из перфорированной стали, деформирующейся при осевой нагрузке, вызываемой столкновением.
Рис. 39. Амортизирующий бампер автомобиля «АТИС Гремлин». Ход амортизатора 80 мм
Пластическая деформация передней части кузова является хорошей защитой пассажиров, но требует последующего дорогостоящего ремонта. Именно этот вид ремонта составляет, как правило, большую часть загрузки автомастерских и недешев для владельца. Поэтому конструкторы стремятся создать бампер, который поглощал бы энергию при небольших столкновениях, не передавая ее на кузов и тем самым не повреждая последний.
Бампер должен достаточно выступать перед кузовом, чтобы при ударе переместиться и поглотить значительную энергию без ее последующего высвобождения. Такая функция обеспечивается или пластическим элементом, который после деформации заменяется, или жидкостным трением, как в амортизаторе. Во втором случае бампер медленно возвратится в первоначальное положение.
Схема такого бампера (автомобиль «Гремлин» фирмы «Америкэн Моторе», США) показана на рис. 39. Он прикреплен к поршням, входящим в заполненные маслом цилиндры. В выдвинутом положении поршни удерживаются пневматической пружиной, и перетекание масла в цилиндрические пустоты поршней обеспечивается наличием отверстия, площадь которого регулируется коническим штифтом, входящим в отверстие. Большое сечение кольцевого отверстия способствует тому, что в начале движения сопротивление протеканию масла незначительно, но по мере вхождения штифта в отверстие площадь кольца уменьшается и сопротивление быстро возрастает. 8®
После удара бампер медленно возвращается в первоначальное положение.
Передний бампер с устройствами амортизации и ребрами жесткости в кузове увеличивает массу автомобиля и его длину. В меньшей мере это же относится и к заднему бамперу.
Защита против боковых ударов обеспечивается достаточной толщиной двери, деформация которых уменьшает воздействие удара на пассажиров. При этом необходимо обеспечить открывание дверей после деформации. Все это вызывает увеличение массы и ширины автомобиля.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС
Пластмассы находят все более широкое применение в автомобилестроении. Довольно короткий срок службы кузова приводит к тому, что вместе с огромным количеством отслуживших автомобилей на свалке оказываются большие массы ценных металлов. Пластмассы в настоящее время используются в значительном количестве для изготовления приборных панелей, различных ручек, рычагов, кнопок, бачков и т. п. Расширяется область применения пластмасс и для изготовления крупных деталей кузова, таких, как капоты, двери, крылья и т. п. Для производства цельнопластмассового кузова еще не разработана приемлемая технология, однако исследования в этом направлении ведутся очень интенсивно.
Пластмассы не только легки, но и достаточно прочны, а главное, не подвержены коррозии. Они не требуют окраски или другого специального защитного покрытия. Постоянно улучшающееся производство различных клеев обеспечивает и упрощает изготовление и ремонт кузовов из пластмасс. Следует при этом напомнить, что использование технологии склеивания находится на высоком уровне в такой отрасли, как самолетостроение. Нужно учитывать, что и небольшая экономия массы в течение длительного времени эксплуатации приводит к значительной экономии топлива. Достаточно подсчитать, сколько стоит в переводе на бензин 1 кг избыточной массы при прохождении пути в 100 000 км.
Новый механизм поднятия и опускания дверных стекол автомобилей концерна «Дженерал Моторе» изображен на рис. 40. Этот механизм выполнен из пластмассовой ленты с расположенными на одинаковом расстоянии
Рис. 40. Механизм управления стеклом двери облегченной конструкции
друг от друга отверстиями, которые выполняют функции цепной передачи. В отличие от применяемых сегодня стальных тросиков этот механизм, если он заключен в металлической оболочке, передает не только растягивающее, но и сжимающее усилие. Шестерня, закрепленная на рукоятке, входит своими зубьями в отверстия пластмассовой ленты и, вращаясь, поднимает или опускает стекло, прикрепленное к одному из концов ленты. Другой конец входит в защитный кожух.
Все детали изготовлены из полиэфирного эластомера фирмы «Дюпон», обладающего высокой прочностью, низким коэффициентом трения и надежно работающего в диапазоне температур от -—20 ° до +70 °C. Уменьшение массы составляет 3—5 кг. Весь механизм занимает во внутреннем объеме двери мало места и ие требует обслуживания. Подобных возможностей экономии массы в конструкции автомобиля можно найти довольно много.
Некоторые пластмассы обладают отличными свойствами и используются в самолетостроении. Речь идет 88
в первую очередь о материале «кевлар» фирмы «Дюпон» (США). Этот ароматический полиамид с волоконной структурой, появившийся на мировом рынкев 1972 г., обладает высокой прочностью, отличной температурной стабильностью и высоким усталостным сопротивлением. Волокна кевлард используются для корда шин, для армирования клиновых ремней, а в последние годы, как отмечалось выше, — для изготовления инерционных аккумуляторов энергии — маховиков. Маховик из кевлара при одинаковой плотности энергии имеет массу в 2 раза меньше, чем стальной. Плотность кевлара — 1440 кг/м3, прочность на растяжение — 3500 МПа.
Для производства кузова и панелей могут использоваться некоторые виды слоистых материалов, армированных стекловидными или углеродными волокнами. Слоистые пластики пригодны также и для изготовления бензобаков. Они не подвержены коррозии, при аварии выдерживают большую деформацию без нарушения целостности и герметичности бака. Топливные баки автомобилей должны иметь весьма сложную геометрическую форму, которую легче получить, изготовляя их из полимерных материалов, позволяющих, кроме того, уменьшить массу бака.
Все больших масштабов достигает использование пластмасс для изготовления крыльев, являющихся самым слабым местом кузова в части коррозии. Это направление представляет большой интерес, поскольку потери, вызываемые коррозией автомобильных кузовов, в мировом масштабе чрезвычайно велики.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Благодаря малой плотности, хорошим литейным свойствам и обрабатываемости при производстве различных деталей автомобиля широко применяются алюминиевые сплавы. Первыми деталями, которые начали изготавливать из алюминия, были поршни и головки блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания. При этом использовалась также хорошая теплопроводность алюминия. В дальнейшем из него начали делать различные корпуса, бачки, емкости, для достижения необходимой прочности которых не требовалось большой толщины стенок и, наоборот, при литье под давлением эти стенки делались тоньше.
У отливок, полученных методом литья под давлением в стальные формы, достигается высокая точность, что значительно снижает число обрабатывающих операций, ограничивая их лишь обработкой посадочных поверхностей. Отливки, полученные под. давлением, все шире используются и для картеров двигателей внутреннего сгорания. Это требует специальной оснастки и приспособлений для формирования в отливке рубашки охлаждающей жидкости, однако большая экономия массы окупает все затраты.
Уменьшение массы при использовании алюминия вместо чугуна почти пропорционально соотношению плотностей этих материалов, равному 7,3 : 2,7. Литая деталь из алюминиевого сплава почти втрое легче такой же детали из чугуна. Сравнительные исследования стоимости чугунного и алюминиевого блоков цилиндров для бензинового двигателя объемом 1800—2200 см3, проведенные в последние годы, показали преимущества использования алюминия. Сравнение проводилось по всему производственному циклу: от изготовления стержней, расплава, литья и до окончательной механической обработки. Масса необработанной отливки составляет 72 кг при использовании чугуна и 23 кг — алюминия. Обработанный чугунный блок весит 44,5 кг, алюминиевый — 14,4 кг.
Проводилось также сравнение энергии, потребляемой на все операции литья и обработки. Для выпуска в день 3000 шт. блоков из чугуна необходимо 6500 кВт, а для того же числа блоков из алюминия — 1100 кВт.
Исследование показывает, что с точки зрения энергетических затрат в случае изготовления алюминиевого блока экономия энергии составляет 60 % по сравнению с чугунным . Поэтому, несмотря на более высокую цену алюминия, его применение для блока цилиндров, а также других отливок является выгодным. Влияние уменьшения массы проявится далее при эксплуатации в меньшем расходе топлива.
Приведем другие примеры снижения массы при замене серого чугуна алюминием. У рядиого четырехцилиндрового двигателя «Шевроле Вега» (США) с рабочим объемом 2300 см3 чугунный блок имеет массу 39,5 кг, а такой же
блок из алюминия — 13,6 кг, т. е. снижение массы достигает 65 %. У шестицилиндрового двигателя «Рамблер- Кастом» фирмы «Америкэн Моторе» блок из алюминия с залитыми чугунными гильзами имеет массу 30 кг; масса этого же блока из чугуна составляет 76 кг. Снижение массы в этом случае достигает 61 %.
Аналогичные цифры характерны и для цилиндров небольших двигателей с воздушным охлаждением, где снижение массы также достигает 60 %. Чугунный цилиндр с оребрением двухтактного двигателя объемом 250 см3 имеет массу 8,15 кг, а такой же алюминиевый цилиндр ^■'твердым хромированным покрытием рабочей поверхности— 3,15 кг, что соответствует уменьшению массы на 62 %. Тот же алюминиевый цилиндр, но с запрессованной чугунной гильзой весит 3,44 кг, что соответствует снижению массы на 58 %.
Алюминиевые блоки цилиндров двигателей дают не только уменьшение массы, но и улучшение теплового режима. Теплопередача и отвод теплоты в систему охлаждения улучшаются, температурные поля головки блока и цилиндров становятся более равномерными, что не менее важно, чем снижение массы. Прежде всего уменьшается местный перегрев вблизи выпускного клапана, а распределение температуры по поверхности цилиндра становится более равномерным.
Цилиндр сохраняет свою форму и в нагретом состоянии, что важно для прилегания поршневых колец по всей окружности и, в свою очередь, имеет влияние на проникание масла в камеру сгорания. При обычном сегодня применении алюминиевых поршней большее тепловое расширение алюминиевых цилиндров выгодно тем, что зазор между цилиндром и поршнем может быть уменьшен, что снижает уровень шума двигателя.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ МЕЖДУ ОСЯМИ АВТОМОБИЛЯ
Масса автомобиля проявляется в виде нагрузки на оси. С осей на поверхность дороги должна передаваться движущая сила, и величина максимально передаваемой силы зависит от нагрузки на оси и коэффициента сцепления между-шиной и поверхностью дороги. На сравнительно сухой дороге этот коэффициент составляет приблизительно 0,6, так что и максимальное тяговое усилие веду*
4. Коэффициент сцепления между шиной и поверхностью дороги
Скорость движения автомобиля, км/ч
Состояние шин
Состояние дороги
Сухая
Мокрая, толщина слоя воды
0,2 мм
1 мм
2 мм
50
Новые
0,85
0,65
0,55
0,5
50
Изношенные
1,0
' 0,5
0,4
0,25
90
Новые
0,8
0,6
0,3
0,05
90
Изношенные
0,95
0,2
0,1
0,05
130
Новые
0,75
0,55
0,2
0
130
Изношенные
0,9
0,2
0,1
0
Примечание. Максимальный износ шины согласно правилам соответствует остаточной высоте протектора 1 мм.
щей оси равно 60 % нагрузки на эту ось. Если масса распределена на обе оси равномерно, то максимальная сила.тяги на горизонтальном шоссе составит 0,3 массы автомобиля; при большей силе, подводимой к колесам, начнется их пробуксовывание. Максимальная тяговая сила не зависит от мощности двигателя. Коэффициент сцепления приведен в табл. 4.
При движении на подъеме нагрузка на заднюю ось увеличивается и, наоборот, на спуске растет нагрузка на переднюю ось. При приводе или при торможении всех осей максимальная движущая и тормозная силы зависят от общей массы автомобиля.
Таким образом, масса автомобиля необходима для того, чтобы развить необходимую движущую силу или силу торможения. Это относится прежде всего к тягачам и тракторам. Тяговая сила трактора зависит от нагрузки на его ведущую ось и более сильный; двигатель не увеличит ее. Поэтому иногда на колеса трактора или на площадку тягача устанавливают дополнительную нагрузку.
Выше уже было объяснено, что для экономичной эксплуатации автомобиля необходимо снизить его массу до минимума. Как же в таком случае обеспечить все необт ходимые качества автомобиля без увеличения его массы?
При движении на подъеме, когда необходимо передавать на поверхность дороги большую движущую силу, автоматически увеличивается нагрузка на заднюю ось. С этой точки зрения выгодным является использование
задней оси в качестве ведущей. При передней ведущей оси можно увеличить тяговое усилие перемещением большей части массы автомобиля на переднюю ось. Однако такое решение имеет известные пределы. Если бы при движении на подъеме с большим уклоном на переднюю ось было бы перенесено 60 % общей массы автомобиля, то при движении этого же автомобиля по горизонтальному шоссе на переднюю ось приходилось бы 70 % массы, а на спуске — до 80 %. При этом требовалось бы, чтобы эффективность передних тормозов также составляла 80 %; при резком торможении, когда нагрузка на переднюю ось еще больше, может возникнуть угроза переворота автомобиля.
Обычно с легковыми автомобилями такие случаи не возникают, но этот пример очень наглядно показывает возникающие проблемы. Большая нагрузка на переднюю ось, когда она является ведущей, сильно отражается и на износе шин передних колес как при движений на подъеме с включенной первой передачей, так и в случае торможения при спуске. Износ шин передних колес в этих условиях обычно больше, чем задних. При задней ведущей оси и распределении массы по осям в соотношении 1 : 1 достигается равномерный износ шин передних и задних колес.
Существуют, однако, способы, позволяющие увеличить нагрузку на ту или иную ось без повышения общей массы автомобиля. В главе об аэродинамическом сопротивлении автомобиля были объяснены свойства спойлеров, с помощью которых можно увеличивать или снижать нагрузку на оси. Наиболее ярко это проявляется на больших скоростях автомобиля.
Нагрузку можно распределять на обе оси и, более того, изменять ее за счет изменения угла наклона спойлеров, аналогично рулям высоты у самолетов. Если говорить об увеличении нагрузки на оси при торможении, то увеличение аэродинамического сопротивления автомобиля при большем наклоне спойлера является полезным, так как возникающее аэродинамическое торможение облегчает нагрузку на тормоза колес и уменьшает нагревание шин при . переносе тормозного усилия на поверхность дороги.
При ускорении автомобиля повышение аэродинамического сопротивления нежелательно. Поэтому нужно тщательно проанализировать, компенсируется ли увеличение аэродинамического сопротивления приростом движущей силы, возникающим’ благодаря увеличению прижатия ко-
лес к дороге. При разгоне автомобиля с места аэродинамическое воздействие в начальной фазе движения сравнительно невелико.
При движении по спрофилированному повороту (дороге с боковым уклоном) можно использовать центробежные силы для прижатия колес автомобиля к дорожному покрытию. Но и этот способ для легковых автомобилей не может быть использован, так как только на дорогах высших категорйй повороты спрофилированы таким образом, что эффект центробежного прижатия автомобиля к дороге возникает лишь при скорости автомобиля не ниже 120 км/ч. и;:
Не остается ничего иного, как примириться с тем положением, что экономичная эксплуатация автомобиля ‘обусловливает его минимальную собственную массу и благоприятное соотношение полезной нагрузки и полной массы.
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИНДИКАТОРНОГО КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В настоящее время источниками механической энергии •в автомобилях являются исключительно двигатели внутреннего сгорания. Преобразование энергии топлива в механическую энергию в них связано со значительными потерями, поэтому необходимо в первую очередь найти пути уменьшения этих йотерь и достичь максимальной отдачи энергии, содержащейся в топливе. Для этой цели прежде всего нужно выбрать оптимальный термодинамический цикл.
В двигателе внутреннего сгорания применяют два различных термодинамических цикла. Бензиновый двигатель работает таким образом, что в цилиндр на такте впуска всасывается топливовоздушная смесь, которая далее на такте сжатия сжимается, затем в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), зажигается электрической искрой и сгорает. Возникшие при горении газы расширяются за счет выделяющейся теплоты, их давление повышается, и под действием этого давления происходит рабочий ход поршня. При последующем движении поршня до ВМТ из цилиндра отводятся
отработавшие газы. Такой идеализированный цикл (цикл Н. Отто) предполагает заполнение и очистку цилиндра при положении поршня в мертвых точках и протекание сгорания при положении поршня в ВМТ.
Другой термодинамический цикл (цикл Р. Дизеля) протекает подобным образом с тем лишь отличием, что. сгорание происходит не при неподвижном поршне, а во время его перемещения из ВМТ таким образом, что давление газов в процессе горения остается постоянным и только после полного сгорания топлива начинается их расширение. В действительности в обоих описанных циклах горение происходит при движущемся поршне и изменяющемся давлении, т. е. действительные циклы двигателей внутреннего сгорания являются циклами со смешанным подводом теплоты. Подробнее рассмотрение обоих циклов и их различия можно найти в специальной литературе [6, 7, 8]. В нашей книге объясняются лишь принципиальные различия реальных двигателей и обращается основное внимание на возможности снижения тепловых потерь.
Важным является КПД двигателя, показывающий, какое количество энергии топлива преобразуется в механическую работу. Индикаторный КПД не учитывает механических потерь и потерь при газообмене, так что эффективный КПД двигателя представляет собой произведение индикаторного на механический КПД. Таким образом, более полного использования энергии топлива можно достичь улучшением не только индикаторного, но и механического КПД.
При работе двигателя внутреннего сгорания 1/3 энергии топлива преобразуется в механическую, 1/3 путем охлаждения передается в окружающую среду и 1/3 отводится в виде теплоты,- содержащейся в отработавших газах. Любое использование тепловых потерь двух последних видов означает экономию энергии, более рациональное использование мощности двигателя и улучшение теплового, баланса автомобиля.
Так, использование теплоты, поглощенной охлаждающей жидкостью, которую в принципе необходимо отвести от двигателя для отопления кабины или кузова, является типичным примером экономии топлива, необходимого для независимого отопления. Такими же примерами служат обогрев отработавшими газами кузовов грузовых автомобилей, которые перевозят смерзающиеся
грузы (руду, уголь, жидкости), использование энергии отработавших газов для привода турбокомпрессора или вспомогательной турбины, подогрев отработавшими газами гидридного аккумулятора для извлечения из него водорода.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В качестве критерия оценки термодинамических циклов часто используется цикл Карно.
Требования идеального цикла Карно не выполняет ни один из известных циклов (Отто, Дизeляj Ранкина, Стирлинга). Из анализа цикла Карно следует, что КПД термодинамического цикла зависит от разницы между максимальной температурой Тг и минимальной температурой Т2. Так как температура Т2 может быть в самом крайнем случае температурой окружающей среды, то КПД термодинамического цикла никогда не достигнет 100 %.
Сжигание топлива непосредственно в цилиндре позволяет достичь максимальной разницы между температурами Т1 и Т2. Паровой двигатель или турбина никогда не смогут достичь КПД двигателя внутреннего сгорания, что и проявляется в удельном расходе ими топлива.
При сравнении циклов тепловых двигателей применяются три их типа, отличающиеся процессом изменения давления и температуры газа в цилиндре:
цикл с подводом теплоты при постоянном объеме и положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ);
цикл с подводом теплоты при постоянном давлении и изменяющемся объеме;
цикл со смешанным подводом теплоты, т. е. подводом сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении.
В цилиндрах тепловых. двигателей происходят изменения состояния газа, среди которых для сравнения наиболее важны следующие:
адиабатические сжатие и расширение, при которых теплота через стенки цилиндра не подводится к газу и не отводится от него;
изотермические сжатие и расширение, при которых температура газа остается постоянной;
96
v=.const Iv=.const IРис. 41. p—V и T-^S- диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном объеме
v=.const I
v=.const I
политропное сжатие и расширение, характеризуемое как теплоподводом к газу, так и теплоотдачей газа в течение процесса.
Примером политропного процесса является такт сжа^ тия двигателя внутреннего сгорания. В начале этого такта теплота к поступившему при впуске холодному газу подводится от горячих стенок цилиндра, а в конце такта газ, нагретый в результате сжатия до температуры, превышающей температуру стенок цилиндра, уже отдает теплоту стенкам цилиндра.
В случае идеальных термодинамических циклов предполагается, что теплообмена со стенками цилиндра нет, т. е. процессы носят адиабатический характер.
В. качестве первого примера рассмотрим цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, к которому довольно близок действительный цикл работы, бензинового двигателя. Этот цикл представлен на рис. 41, где показано изменение давления р в цилиндре в зависимости от объема газа V. Для наглядности в нижней части рисунка схематически изображен цилиндр с поршнем. Диаметр цилиндра D, ход поршня Z. Пунктиром показано верхнее
(ВМТ) и нижнее (НМТ) положения поршня. Объем камеры сгорания — V2> а степень сжатия
Для определения теплового баланса необходимо знать количество подводимой Qp и отводимой Qo теплоты. Так называемый термический коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле
п = ^р — ^°' QP "
Начнем наблюдать за ходом цикла на рис. 41 от точки /, соответствующей нижнему положению (НМТ) поршня. При его движении вверх происходит адиабатическое сжатие вплоть до точки 2, соответствующей верхнему положению (ВМТ) поршня. От точки 2 до точки 3 при неподвижном поршне к газу подводится теплота QpV и давление газа растет. От точки 3 поршень передвигается к точке 4 (НМТ) и происходит адиабатическое расширение. На участке от точки 4 до точки 1 при неподвижном поршне теплота QoV от газа отводится к стенкам цилиндра. Заштрихованная площадь индикаторной диаграммы обозначает выполненную работу At.
Кроме описанной р — V-диаграммы на рис. 41 изобра- " жен тот же цикл в координатах температура Т — энтропия S.
Для нашего анализа достаточно определить, что понимается под величинами энтропии 5. Энтропию невозможно измерить прямым путем, поэтому условимся, что если к веществу подводится теплота, энтропия растет, а при отводе от него теплоты — уменьшается. Диаграммы в координатах Т — S будут служить лишь для сравнения с циклом Карно, представляющим максимально достижимый по эффективности цикл.
Другой термодинамический цикл, у которого теплота подводится при постоянном давлении, изображен на рис. 42. Этот цикл наиболее близок к действительному циклу работы дизельного двигателя, прежде всего, при низких частотах вращения. Создав определенный закон подачи топлива, можно поддерживать максимальное давление в цилиндре при сгорании почти постоянным.
По сравнению с предыдущим рисунком диаграмма на рис. 42 отличается тем, что после завершения хода сжа- 98
Рис. 42. р—V- и Т—S- диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном давленииРис. 42. р—V- и Т—S- диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении
Рис. 42. р—V- и Т—S- диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении
Рис. 42. р—V- и Т—S- диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении
тия в точке 2 впрыск топлива происходит при уже начавшемся ходе расширения таким образом, чтобы давление газов при сгорании оставалось постоянным вплоть до точки 3,. после которой начинается адиабатическое расширение.
В действительности подвод теплоты не протекает лишь при постоянном объеме или только при постоянном давле- нии. К реальным условиям ближе всего цикл со смешанным подводом теплоты, изображенный на рис. 43. В этом случае подвод теплоты начинается в точке 2 после завершения сжатия, и количество теплоты QpV подводится
4*4*Рис. 43. р—V- и Т—S-диаграммы цикла со смешанным подводом теплотыРис. 43. р—V- и Т—S-диаграммы цикла со смешанным подводом теплоты9999
4*
4*
Рис. 43. р—V- и Т—S-диаграммы цикла со смешанным подводом теплоты
Рис. 43. р—V- и Т—S-диаграммы цикла со смешанным подводом теплоты
99
99
Рис. 44. р—V- и Т—S-диаграммы цикла КариоРис. 44. р—V- и Т—S-диаграммы цикла Кариопри постоянном объеме до точки 2, 3, а дальнейшее ее поступление в количестве Qpp происходит при постоянном давлений вплоть до точки 3. После этого от точки 3 до точки 4 происходит адиабати
Рис. 44. р—V- и Т—S-диаграммы цикла Карио
Рис. 44. р—V- и Т—S-диаграммы цикла Карио
ческое расширение.
Описанные выше термодинамические циклы в действительности не выдерживаются. Для сравнения приведем еще цикл Карно (рис. 44), обеспечивающий максимальное использование подводимой теплоты. Этот цикл начинается, как и другие, с адиабатического сжатия от точки / до точки 2. На диаграмме Т — S это адиабатическое сжатие изображено вертикальной прямой, так как энтропия йри этом не изменяется, а повышается только температура от Та дб Ту. В точке 2 начинается изотермический подвод теплоты, продолжающийся до точки 3. Так как температура не изменяется, то, следовательно, должен увеличиваться объем. На диаграмме Т — S этот процесс изображен горизонтальной прямой при постоянной температуре Ту. Энтропия газа на этом участке увеличивается.
От точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение, изображенное на диаграмме Т — S вертикальным отрезком 3—4. Затем следует отвод теплоты при постоянной температуре до точки 1. Работа, выполненная в этом цикле, на Т — S-диаграмме показана прямоугольником /—2—3—4 и представляет собой максимально возможное использование теплоты в диапазоне температур от Ту до Т2. Однако реализовать на практике такой цикл невозможно.
В двигателе внутреннего сгорания после расширения газов из цилиндра вместе с ними отводится и содержащаяся в них теплота. В цилиндр затем поступает холодный воздух из окружающей атмосферы. У четырехтактного двигателя это достигается прибавлением такта выпуска и такта впуска, а у двухтактного — продувкой цилиндра при положении поршня в НМТ.
У газотурбинного двигателя сжатие и расширение газа протекает во вращающихся компрессоре и турбине. Давление газа в камере сгорания, если пренебречь потерями от завихрений, почти не меняется,, так что давление на выходе компрессора практически равно давлению
на входе турбины. Подробнее об этом будет рассказано в 14.3.
Двигатель Стирлинга относится к двигателям с внешним сгоранием. Рабочее тело (воздух) получает теплоту не за счет прямого сгорания топлива в рабочем цилиндре, а путем ее подвода извне через стенки. Подробнее это будет рассмотрено в 14.4. Цикл со смешанным подводом теплоты (см. рис. 43) может служить и для оценки двигателя Стирлинга с тем исключением, что часть отводимой теплоты Qo при использовании регенератора снова возвращается в общее количество подводимой теплоты Qp.
Изменение давления в цилиндре реального двигателя существенно отличается от изменения давлений в- термодинамическом цикле. Это вызвано тем, что сгорание топлива не происходит только в момент нахождения поршня в ВМТ или при постоянном давлении в начале хода расширения. Выпускные каналы открываются раньше, чем поршень достигает НМТ, и поэтому давление перед ней уже ниже того, которое было бы в НМТ поршня при закрытом канале. Сжатие также начинается лишь после закрытия впускного клапана, т. е. после НМТ. Однако для четырехтактных двигателей в представленных выше диаграммах термодинамических циклов не изображены процессы изменения давления при тактах впуска и выпуска, из-за наличия которых углы термодинамических циклов в действительных рабочих циклах значительно скруглены вблизи ВМТ и НМТ.
Поскольку в этой книге рассматривается только один практический вопрос — снижение расхода топлива при условии обеспечения эффективного и экономичного функционирования автомобиля, выше были изложены лишь основные принципы, необходимые для понимания циклов работы двигателей.
Для привода автомобиля ранее применялся паровой двигатель, о котором конструкторы не забывают и сегодня. Поэтому кратко поясним принципы работы паросиловой установки по циклу Ранкина.
Схема такой установки изображена на рис. 45. В паровом котле / вода нагревается до точки кипения, а насыщенный пар поступает к пароперегревателю 2, в котором температура пара увеличивается. Перегретый пар далее поступает в паровой двигатель 3, цилиндр которого снабжен тепловой изоляцией, где происходит адиабатическое расширение пара и за счет этого совершается работа.
Рис. 45. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ранкина:Рис. 45. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ранкина:3 — паровой котел; 2 — перегреватель;3 — паровой двигатель; 4 — конденсатор; 5 — питающий насос3 — паровой котел; 2 — перегреватель;3 — паровой двигатель; 4 — конденсатор; 5 — питающий насосОтработанный пар из двигателя поступает в конденсатор 4, где конденсируется в воду. Вода из конденсатора при помощи питающего насоса 5 снова возвращается в паровой котел.
Рис. 45. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ранкина:
Рис. 45. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ранкина:
3 — паровой котел; 2 — перегреватель;
3 — паровой двигатель; 4 — конденсатор; 5 — питающий насос
3 — паровой котел; 2 — перегреватель;
3 — паровой двигатель; 4 — конденсатор; 5 — питающий насос
Полезная работа парового двигателя определяется разницей работ, совершаемых собственно паровой машиной и питающим насосом. Так как объем воды, подаваемой насосом в котел, незначи
телен по сравнению с объемом пара, выходящего из котла при постоянном давлении, то при низких значениях давления работа этого насоса весьма мала и ее можно не учитывать. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, где процесс сгорания топлива происходит непосредственно в рабочем цилиндре, паровой двигатель не имеет камеры сжатия (сгорания). Это явный выигрыш, поскольку камера сжатия — вредное пространство, которое должно быть минимальным.
Отрицательное свойство парового двигателя состоит в том, что теплота к рабочему телу подводится через металлическую стенку, которая должна иметь высокую термостойкость и прочность. Несмотря на то, что в настоящее время паровые котлы работают под давлением выше 10 МПа и при температуре пара 470 °C, величина температуры рабочего тела остается почти на 2000 °C меньше, чем в двигателе внутреннего сгорания. Минимальная температура 7'2 может быть у сравниваемых циклов одинаковой, так как это практически температура окружающего воздуха. У парового двигателя с конденсатором легко достижимо значение Т^ = 40 °C.
У хорошей паровой турбины КПД составляет примерно 34 % в сравнении с 40 % у двигателя внутреннего сгорания. Однако при использовании паровой турбины необходимо учитывать, что КПД котла составляет примерно 85 %, так что общий КПД паровой турбины в- целом падает до 28,9 %. Топливо для котла дешевле нефтяник моторных топлив, так как в качестве него может исполь-
зоваться уголь. Теплотворная способность угля, правда, меньше, чем нефти, однако если в качестве котельного топлива используют природный газ или мазут, то разница в затратах по сравнению с углем невелика.
У двигателя внутреннего сгорания отработавшие газы имеют в конце процесса расширения температуру выше 1000 °C, но использовать их теплоту путем дальнейшего расширения в поршневом двигателе очень трудно.
Перевод газа с температурой 1000 °C из одного двигателя в другой связан с большими тепловыми потерями и техническими трудностями. В частности, поршневой двигатель с классическим кривошипным механизмом для дальнейшего расширения отработавших газов с такой температурой непригоден вследствие его размеров и массы.
Для использования энергии большого количества отработавших газов со сравнительно низким давлением наиболее пригодна газовая турбина. Она обычно и применяется для повторного цикла расширения газов и служит при этом либо для привода центробежного компрессора, подающего воздух в двигатель (двигатели с газотурбинным наддувом), либо передает свою мощность (например, через зубчатую передачу) непосредственно на коленчатый вал двигателя (так называемый турбоком- паундный двигатель).
Для использования теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания может быть применен и цикл Ранкина. Отработавшие газы, нагревают жидкость (например, фреон), пары которой поступают в роторный двигатель. Этот двигатель имеет меньшие размеры и лучше сбалансирован, чем поршневой с кривошипным механизмом.
Конструкция такой комбинированной силовой установки (рис." 46 и 47) уже испытывается. Однако следует учитывать, что в ней можно использовать лишь некоторую часть энергии отработавших газов, соответствующую КПД цикла Ранкина.
Кроме описанной схемы с роторным двигателем на фреоне, известны также испытания комбинированной установки, состоявшей из двигателя внутреннего сгорания фирмы «Мак» (США) с турбонаддувом мощностью 212 кВт и паровой турбины, пар в которую поступал из котла, нагреваемого теплотой отработавших газов двигателя. Установленный на грузовом автомобиле для магистральных перевозок двигатель «Мак» работает большей частью
Рис. 47. Схема комбинированной силовой установки:
Рис. 46. Комбинированная силовая установка:/ — двигатель внутреннего сгорания: 2 — роторный двигатель няНОЙ SLA -ТуТкнаИя трубПаУСКН0Й 3°Л°ТНИК; 5 ~ тарельчатый выпускРис. 46. Комбинированная силовая установка:/ — двигатель внутреннего сгорания: 2 — роторный двигатель няНОЙ SLA -ТуТкнаИя трубПаУСКН0Й 3°Л°ТНИК; 5 ~ тарельчатый выпуск
Рис. 46. Комбинированная силовая установка:
/ — двигатель внутреннего сгорания: 2 — роторный двигатель ня
НОЙ SLA -ТуТкнаИя трубПаУСКН0Й 3°Л°ТНИК; 5 ~ тарельчатый выпуск
Рис. 46. Комбинированная силовая установка:
/ — двигатель внутреннего сгорания: 2 — роторный двигатель ня
НОЙ SLA -ТуТкнаИя трубПаУСКН0Й 3°Л°ТНИК; 5 ~ тарельчатый выпуск
/ — двигатель внутреннего сгорания; 2 — выпускная труба- 9 — трпяллн менник «отработавшие газы — фреон»; 4 — насос подачи фреона- 5 — дпос" сельный клапан подачи паров фреона; 6 — роторный Двигатель ’на <Ьреоне« с Zpe£-«°Аа; 8 ~ теплообменник «фреон-вода»;
С фреоном, 10 — водяной насос двигателя; 11 — радиатор лвнтателя- 12^2 конденсатор воды из отработавших газов Двигателя Р двшателя- ^ “
с nowwfi мощностью и потому наиболее пригоден для использования теплоты отработавших газов. Паровая турбина в опытах развила мощность 40 кВт, что соответствовало повышению мощности и, следовательно, экономичности установки на 19 %.
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ
НА ИНДИКАТОРНЫЙ КПД
Г. Р. Рикардо рассчитал и проверил на экспериментальном двигателе зависимость индикаторного КПД от степени сжатия для чистого воздуха. Результаты его опытов изображены на рис. 48. При этом делается допущение, что рабочее тело — чистый воздух и что при сгорании углеводородного топлива" в среде чистого воздуха образуются только СО3 и Н2О. Другое допущение предполагает, что в течение всего цикла отсутствует теплообмен со стенками цилиндра. При этих допущениях КПД такого теоретического цикла:
где е — степень сжатия; к — показатель адиабаты (отношение тейлоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме), равный 1,4 для воздуха.
Этот КПД можно использовать для сравнения, но он значительно отличается от реально достижимых, поскольку:
рабочее тело представляет собой смесь азота и продуктов сгорания, а не чистый воздух;
средняя теплоемкость продуктов сгорания увеличивается с ростом температуры таким образом, что теплота, подведенная при более высокой температуре, не повышает давление в цилиндре в той степени, в какой оно повышалось бы при подводе того же количества теплоты, но при меньшей температуре;
при высокой температуре происходит диссоциация воды на водород и кислород, а углекислого газа — на окись углерода и кислород, на что затрачивается значительное количество теплоты, возвращаемой в цикл с потерями;
часть теплоты отводится через стенки цилиндра;
объем продуктов сгорания при постоянной температуре и давлении не равен объему смеси топлива с воздухом.
105
Рис. 48. Зависимость КПД ц теоретического цикла от степени сжатия еРис. 48. Зависимость КПД ц теоретического цикла от степени сжатия еРис. 49. Зависимость КПД т] теоретического и действительного циклов от степени сжатия еРис. 49. Зависимость КПД т] теоретического и действительного циклов от степени сжатия е
Рис. 48. Зависимость КПД ц теоретического цикла от степени сжатия е
Рис. 48. Зависимость КПД ц теоретического цикла от степени сжатия е
Рис. 49. Зависимость КПД т] теоретического и действительного циклов от степени сжатия е
Рис. 49. Зависимость КПД т] теоретического и действительного циклов от степени сжатия е
В двигателе идеальные условия не могут быть выдержаны и поэтому его КПД значительно ниже. На рис. 49 кривой а обозначен КПД теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном объеме согласно рис; 48. Кривая^ показывает расчетный КПД этого же цикла для бензовоз душной смеси с 50 %-ным недостатком топлива, кривая в — с 20 %-ным недостатком топлива. Кривая г рассчитана для стехиометрической смеси бензин—воздух. Во всех расчетах циклы считались термодийамическими идеальными,, т. е. принималось, что теплота подводится мгновенно в ВМТ, а теплообмен со стенками цилиндра отсутствует.
Нижняя кривая д показывает результаты измерения индикаторного КПД на опытном двигателе при степени сжатия 4—-7. Опыты проводились иа смеси с недостатком 15 % топлива, поэтому их можно сравнить с расчетной кривой в при 20 %-ном недостатке топлива. Хорошо видна разница между кривыми вид, характеризующая потери теплоты за счет излучения, теплопередачи через стеики цилиндра и неполноты процесса сгорания [71.
Кривая д показывает зависимость индикаторного КПД от степени сжатия у реальных двигателей. Для всех кривых расчетом или измерением был определен показатель к.
Средняя теплоемкость газов увеличивается с ростом их температуры. Объем цилиндра после полного сгорания топлива заполнен смесью азота, углекислого газа и водяных паров. У азота, составляющего основную часть этой смеси, средняя теплоемкость увеличивается медленней/ чем у других газов (табл. 5). Быстрее всего оиа растет у во- 106
5. Влияние температуры на среднюю теплоемкость продуктов сгорания
углеводородного топлива
продукты сгорания
100—
600 °C
1000 °C
1500 °C
*2000 °C
2500 °C
3000 °C
Азот
1,00
1,02
1,065
1,11
1,16
1,22
Водяной пар
1,00
1,11
1,22
1,35
1,55
1,79
Углекислый газ
1,00
1,115
1,22
1,27
1,32
1,33
Рис. 50. Зависимость КПД t) теоретического цикла от количества теплоты, вводимой в него при постоянном объеме Qy^onst ИЛИ при постоянном давлении Qp==constРис. 50. Зависимость КПД t) теоретического цикла от количества теплоты, вводимой в него при постоянном объеме Qy^onst ИЛИ при постоянном давлении Qp==constдяного пара. Топливо, содержащее большой процент углерода, который сгорит до СО2, выгоднее, чем топливо с большим процентом содержания водорода. Большее значение средней теплоемкости газа, входящего в состав рабочего тела, способствует тому, что теплота, подводимая к нему, повысит его температуру в меньшей, степени, поскольку значительная часть этой теплоты уйдет на нагрев газа. Меньшая же максимальная температура рабочего тела снижает его давление и индикаторный КПД.
Рис. 50. Зависимость КПД t) теоретического цикла от количества теплоты, вводимой в него при постоянном объеме Qy^onst ИЛИ при постоянном давлении Qp==const
Рис. 50. Зависимость КПД t) теоретического цикла от количества теплоты, вводимой в него при постоянном объеме Qy^onst ИЛИ при постоянном давлении Qp==const
При температуре выше 2000 °C начинается диссоциация водяного пара на Н2 и О2 а углекислого газа — на СО и О2. На этот процесс расходуется значительное количество теплоты, вследствие чего рост максимальной температуры рабочего тела тормозится. При охлаждении водород и кислород опять соединяются и образуют воду, а СО вновь превращается в СО2. Эти процессы протекают с выделением теплоты, однако полностью она не используется, так как возвращается в цикл в течение достаточно продолжительного процесса расширения.
Зависимость КПД я теоретического цикла от соотношения долей топлива, сгоревшего при постоянном объеме V и давлении р, показана на рис. 50. Если сгорает
Е = 8.5Е = 8.5Е = 12,5Е = 12,5Рис. 51. Реальные степени сжатия в бензиновом двигателе, вычисленные по действительным знамениям давления конца сжатия: Луд — удельная работа, совершаемая в цилиндреРис. 51. Реальные степени сжатия в бензиновом двигателе, вычисленные по действительным знамениям давления конца сжатия: Луд — удельная работа, совершаемая в цилиндре
Е = 8.5
Е = 8.5
Е = 12,5
Е = 12,5
Рис. 51. Реальные степени сжатия в бензиновом двигателе, вычисленные по действительным знамениям давления конца сжатия: Луд — удельная работа, совершаемая в цилиндре
Рис. 51. Реальные степени сжатия в бензиновом двигателе, вычисленные по действительным знамениям давления конца сжатия: Луд — удельная работа, совершаемая в цилиндре
100 % топлива при постоянном объеме, то достигается максимальное значение КПД. Если 100 % топлива сгорает при постоянном давлении, то этот КПД минимален, так как топливо, которое догорает в процессе продолжительного расширения, для совершения работы имеет в своем распоряжении только малую часть пути, проходимого поршнем. Падение КПД особенно заметно, если при постоянном объеме сгорает менее 60 % топлива [91.
Влияние степени сжатия на КПД и мощность двигателя весьма значительно. Вплоть до степени сжатия е = 10 КПД увеличивается особенно быстро. Расчетные значения КПД хотя и служат только для сравнения, но наглядно показывают замедление роста КПД при высоких степенях сжатия.
Дросселирование воздуха во впускном трубопроводе бензинового двигателя при частичной нагрузке приводит к тому, что давление конца сжатия в цилиндре значительно снижается. Так называемую реальную степень , сжатия можно определить по величине давления в конце сжатия Ч На рис. 51, а показано поле реальных степеней сжатия, полученное путем измерения давлений конца сжатия в карбюраторном двигателе с геометрической сте-
Понятна реальной степени сжатия двигателя внутреннего сгорания в отечественной литературе не применяется. В данном случае под этим термином, по-видимому, подразумевается условная геометрическая степень сжатия, вычисляемая по значениям наблюдаемого давления конца сжатия в цилиндре при дросселировании и давления конца впуска без дросселирования при рассматриваемой частоте вращения двигателя. — Примеч. ред.
пенью сжатия е = 8,5. Верхняя граничная кривая показывает реальную степень сжатия при полностью открытой дроссельной заслонке в зависимости от частоты вращения двигателя п. Ниже этой кривой показано все поле реальных степеней сжатия при различных открытиях дроссельной заслонки. При большом дросселировании заряда во впускном трубопроводе значение реальной степени сжатия падает до е = 3,5, вследствие чего значительно уменьшается КПД. Это оказывает большое влияние на средний расход топлива при частичных нагрузках бензинового двигателя.
Дросселирование заряда или воздуха, являющееся в бензиновом двигателе способом регулирования его нагрузки, необходимо для сохранения примерно постоянного состава топливовоздушной смеси, что обеспечивает ее надежное зажигание. С другой стороны, желательное повышение степени сжатия ограничено опасностью возникновения детонации, зависящий от давления и темпера? туры смеси в конце хода сжатия. На рис. 52 показано изменение температур сжатой смеси в цилиндре в зависимости от частоты вращения п и степени открытия дроссельной заслонки двигателя со степенью сжатия е = 8,5.
Автомобильный двигатель работает большую часть
времени при частичной нагрузке и улучшить расход топлива именно рис. 51, б показано поле реальных увеличении геометрической степени .сжатия до в = 12,5. При малой нагрузке реальная степень сжатия повышается на 2,5 единицы, что соответствует улучшению КПД на 10 %.
поэтому очень важно в этих условиях. На степеней сжатия припоэтому очень важно в этих условиях. На степеней сжатия приРис. 52. Изменение температуры смеси в цилиндре в конце сжатия в зависимости от частоты вращения п и нагрузки бензинового двигателяРис. 52. Изменение температуры смеси в цилиндре в конце сжатия в зависимости от частоты вращения п и нагрузки бензинового двигателяПоршневой двигатель с простым кривошипным механизмом имеет равные между собой геометрические степень сжатия и степень расширения. Однако это свойство невыгодно при использовании энергии давления газов, которая в момент открытия выпускного клапана еще довольно высока. Поэтому еще на начальном этапе развития двигателей внутреннего сгорания искались пути
поэтому очень важно в этих условиях. На степеней сжатия при
поэтому очень важно в этих условиях. На степеней сжатия при
Рис. 52. Изменение температуры смеси в цилиндре в конце сжатия в зависимости от частоты вращения п и нагрузки бензинового двигателя
Рис. 52. Изменение температуры смеси в цилиндре в конце сжатия в зависимости от частоты вращения п и нагрузки бензинового двигателя
использования давления газов в конце рабочего хода увеличением степени расширения. Одно из таких решений было реализовано в виде специального кривошипного механизма с тремя шатунами и двумя коленчатыми валами. Однако такие сложные механизмы имеют низкий механический КПД из-за увеличения числа подшипников, вращающихся и колеблющихся масс. Кроме того, они неработоспособны при высоких частотах вращения, поэтому их использование не принесло ожидаемого улучшения кпд.
По этой причине более выгодно использовать повторное расширение газа после его выхода из цилиндра. Некоторые пути такого использования были описаны в предыдущем параграфе этой главы. В настоящее время повторное расширение проводится главным образом в Турбине, работающей на отработавших газах.
Различных степеней сжатия и расширения можно частично Добиться регулированием моментов открытия и закрытия клапанов. Процесс сжатия начинается только после закрытия впускного клапана, поэтому-большое запаздывание закрытия впускного клапана после НМТ вызывает снижение фактической степени сжатия. В то же время открытие выпускного клапана непосредственно перёд НМТ повышает степень расширения. Однако его нужно открывать заранее с тем, чтобы давление газов в цилиндре успело снизиться и при последующем выталкивании газов поршнем при его ходе вверх от НМТ к ВМТ не оказывалось большого сопротивления движению поршня.
Из этого примера видно, что таким способом нельзя достичь большой разности степеней сжатия и расширения. Если бы впускной клапан закрывался на половине хода поршня, то фактический рабочий объем двигателя (Поступающее количество воздуха) снизился бы наполовину. Двигатель с объемом 2000 см® имел бы мощность, равную двигателю с объемом 1000 см®, но его масса, размеры и стоимость остались бы неизменными. Уменьшилось бы только среднее потребление топлива автомоби-' лем, на котором он установлен.
ДЕТОНАЦИОННОЕ СГОРАНИЕ
В БЕНЗИНОВОМ ДВИГАТЕЛЕ
Увеличение степени сжатия бензиновых двигателей ограничено в связи с возможностью возникновения детонации. При этом явлении возникает неконтролируемое По
сгорание смеси уже после ее воспламенения искрой. Детонационное сгорание протекает с очень высокой ско- , ростью и создает в цилиндре повышенные давление и температуру. Если этот процесс продолжается некоторое время, то двигатель повреждается.
Максимальная степень сжатия, применяемая в бензиновых двигателях, определяется видом и свойствами используемого топлива. Способность топлива противостоять детонации выражается его октановым числом, которое показывает, сколько частей изооктана в смеси с нормальным гептаном нужно иметь в эталонном топливе, чтобы в специальном двигателе CFR оно имело такую же способность противостоять детонации, как и испытываемое топливо. Степень сжатия двигателя CFR может быть изменена без его останова. Условия в этом специальном двигателе не соответствуют условиям в реальном автомобильном двигателе, поэтому два вида топлива в двигателе CFR с одинаковым октановым числом в каждом конкретном автомобильном двигателе ведут себя по-разному. Это зависит от химического состава топлива, формы камеры сгорания и от типа охлаждения двигателя.
Следует отметить, что производство топлива с высоким октановым числом дорого и из одной тонны нефти получить его можно меньше, чем топлива с низким октановым числом. Октановое число можно повысить с помощью антидетонационных присадок, которые, однако, содержат вредные вещества (свинец и т. п.). В данном параграфе будут рассмотрены возможности специальных изменений конструкции или регулировок двигателя в целях обеспечения возможности использовать в нем топлива с низким октановым числом.
Прежде всего необходимо объяснить, как возникает в двигателе детонация. После зажигания искрой свечи рабочей смеси в камере сгорания процесс сгорания развивается со скоростью, зависящей от температуры и давления- рабочей смеси, Типа топлива, состава смеси (соотношения между топливом и воздухом). Большое влияние на процесс сгорания оказывают также движение смеси • перед ее зажиганием и температура стенок камеры .сгорания и цилиндра.
Часть смеси, сгорающая первой в камере сгорания вблизи свечи, расширяется при повышенной температуре и сжимает остаток еще не сгоревшей смеси. По этой причине температура и давление несгоревшей смеси постоянно
увеличиваются, и сама эта смесь оттесняется в места камеру сгорания, отдаленные от свечи. Если давление и температура в оставшейся несгоревшей смеси достиг-'', нут критических значений, то произойдет мгновенное"’. воспламенение всей массы этой смеси, что вызовет резкий скачок температуры и давления. Такой тип сгорания называется детонационным и оно проявляется в виде характерного постукивания. Если это явление продолжается некоторое время, то происходит перегрев камеры сгорания и от ее горячих стенок свежая смесь самопроизвольно всопламеняется раньше, чем в свече зажигания возникает искра.
Это самопроизвольное воспламенение (называемое также калильным зажиганием) характерно тем, что может происходить как при включенном, так и при выключенном зажигании. Мощность двигателя в этих условиях быстро падает, а максимальная температура и. давление при сгорании резко возрастают. У одноцилиндровых двигателей калильное зажигание проявляется через резкую остановку работы двигателя — как при его заклинивании. У многоцилиндровых двигателей такое преждевременное воспламенение, как правило, не происходит одновременно во всех цилиндрах, поэтому двигатель не останавливается, однако быстро теряет мощность. Причиной калильного зажигания могут являться также перегретые контакты свечи зажигания. .
Условием, устраняющим детонацию, является обеспечение минимальной удаленности всех точек поверхности камеры сгорания смеси от свечи зажигания. Кроме того, необходимо учесть температуру стенок камеры сгорания. Объем смеси, сгорающий последним, должен располагаться в холодной части камеры сгорания; в первую очередь должна сгореть смесь, находящаяся в зоне с самой высокой температурой стенок, вблизи выпускного клапана.
Поскольку сгорание вблизи ВМТ протекает весьма быстро, рабочая смесь в зоне свечи сгорит первой и будет долго находиться в соприкосновении со стенками камеры сгорания. Тепловые потери в стенку малы в том случае, когда местная температура стенок достаточно вы- * сока (например, тарелка выпускного клапана). Зона вокруг впускного клапана имеет самую низкую температуру, и сюда должен оттесняться остаток несгоревшей? 1 смеси. Положение свечи зажигания обычно обусловлено. 112
6. Влияние октанового числа и опережении зажигания на мощность двигателя на границе детонации6. Влияние октанового числа и опережении зажигания на мощность двигателя на границе детонацииТочкаТочкаОктано-Мощность,вое%числоОктано-Мощность,вое%число1234512345989693908698969390861009995908510099959085Рис, 53. Влияние угла опережения зажигания 63 и октанового числа топлива на мощность двигателя ^eРис, 53. Влияние угла опережения зажигания 63 и октанового числа топлива на мощность двигателя ^e
6. Влияние октанового числа и опережении зажигания на мощность двигателя на границе детонации
6. Влияние октанового числа и опережении зажигания на мощность двигателя на границе детонации
Точка
Точка
Октано-Мощность,
вое%
число
Октано-Мощность,
вое%
число
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
98
96
93
90
86
98
96
93
90
86
100
99
95
90
85
100
99
95
90
85
Рис, 53. Влияние угла опережения зажигания 63 и октанового числа топлива на мощность двигателя ^e
Рис, 53. Влияние угла опережения зажигания 63 и октанового числа топлива на мощность двигателя ^e
общей концепцией двигателя. Тем не менее свеча должна располагаться как можно ближе к выпускному клапану/ быть легко доступной и хорошо охлаждаться.
Опасность возникновения детонации можно устранить несколькими способами. Запаздывание зажигания сокращает время сгорания перед ВМТ поршня, и последние порции рабочей смеси догорают уже за ВМТ на такте расширения. Разогревание этих порций будет проходить медленно и детонация не возникнет. Однако при таком запаздывании зажигания уже будет невозможно достичь максимальной мощности двигателя и высокой топливной экономичности.
Влияние опережения зажигания и октанового числа топлива на мощность двигателя показано на рис. 53 и в табл. 6.
Экспериментальный двигатель со степенью сжатия е = 7,25 достигает полной мощности при опережении зажигания в 23° и на границе детонации требует топлива с октановым числом 98. Из рис. 53 и табл. 6 видно, что при использовании топлива с октановым числом 93 необходимо уменьшить опережение зажигания до 11°. При этом мощность двигателя упадет до 95 %. Требования к октановому числу при этом опережении уменьшаются.
Эти особенности можно использовать для снижения удельного расхода топлива при частичной нагрузке двигателя. Степень сжатия у двигателя необходимо увеличить так, чтобы при частичной нагрузке удельный расход топлива уменьшился и увеличилась мощность. Однако
при полностью открытой дроссельной заслонке двигатель будет работать с детонацией. Устранить это можно уменьшением опережения зажигания, например, с помощью вакуумного регулятора. Хотя при этом не будет достигнута максимальная мощность двигателя, но при его частичной нагрузке расход топлива уменьшится. При современном уровне развития электроники обеспечение автоматического регулирования опережения зажигания на основе постоянного слежения за параметрами процесса сгорания в двигателе уже не представляет больших трудностей и способствует снижению расхода топлива при работе двигателя с частичной загрузкой.
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СМЕСИ НА ИНДИКАТОРНЫЙ КПД ДВИГАТЕЛЯ
Зависимость степени сжатия на границе детонации от соотношения воздуха и топлива в смеси показана на рис. 54. Наименьшая степень сжатия без возникновения детонации характерна для стехиометрической или ^лабо обедненной смеси. При обогащении смеси ее стойкость
Смесь бедная -*— о -^-богатаяСмесь бедная -*— о -^-богатаяк детонации возрастает. Это обусловлено главным образом внутренним охлаждением при испарении большего количества топлива в сравнении с бедной смесью. Анало-
Смесь бедная -*— о -^-богатая
Смесь бедная -*— о -^-богатая
Рнс. 54. Допустимая стеяень сжатия на границе детонации для различных типов топлива и составов смеси:
1 — циклогексан; 2 — водород; 3 — изооктан; 4 — изооктан с добавкой тетраэтилсвинца 1,06 ся’/дм’ 5 — метан
Рис. 55. Влияние состава смеси на индикаторный КПД т^ и среднее индикаторное давление р^
гичный эффект достигается добавлением в топливовоздушную смесь воды или спирта. Такой способ применяют для кратковременного увеличения мощности поршневых авиационных двигателей при взлете самолета. Однако длительная эксплуатация двигателя с добавлением в смесь воды неблагоприятно сказывается на сроках службы свечей зажигания и седел клапанов. У автомобильных двигателей с наддувом для подавления детонации также применяется впрыск воды.
Увеличение детонационной стойкости у бедных смесей вызвано меньшей скоростью их горения. Однако широкое использование бедных смесей ограничено пределом их воспламеняемости.
В последнее время к автомобильным двигателям предъявляются также требования, связанные с жестким ограничением содержания в отработавших газах вредных для здоровья человека веществ. В первую очередь контролируется содержание окиси углерода СО, углеводородов СНЖ и- окислов азота NOX. Первые два углеродосодержащих соединения возникают при неполном сгорании топлива в условиях недостатка воздуха. Эти продукты неполного сгорания можно сжечь, добавляя в отработавшие газы свежий воздух и воспламеняя образовавшуюся смесь. Окисление можно провести при помощи катализатора или на горячей поверхности. Это дополнительное сгорание в термическом реакторе очищает отработавшие газы, однако с энергетической точки зрения является потерей, увеличивающей удельный расход топлива.
Влияние состава топливовоздушной смеси на индикаторный КПД и среднее индикаторное давление показано на рис. 55. Максимальное среднее индикаторное давление достигается при использовании богатой смеси. Этим обеспечивается хорошее использование всего количества поступившего воздуха, но в отработавших газах остается часть неиспользованного топлива. При бедных смесях полностью сгорает все топливо, но отработавшие газы содержат неиспользованный воздух. В этом случае достигается наилучшее значение индикаторного КПД, что одновременно способствует снижению содержания СО и СН, в выхлопных газах.
Содержание вредных веществ в отработавших газах в зависимости от состава топливововдушной смеси изображено на рис. 56, Больше всего окислов азота NOX образуется в случае использования стехиометрической
ществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоз-ществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоз-душной смеси адушной смеси асмеси а = 1, соответствующей массовому соотношению воздух/топливо, равному 15. При максимальном значении среднего эффективного давления ре это соотношение равно 13, а при максимальном значении индикаторного КПД — 17. В обоих последних случаях NO,, образуется меньше, чем при использовании стехиометрической смеси. Поэтому в зоне вблизи свечи зажигания выгодно создать смесь с соотношением воздух/топливо, равным 13, а в цилиндре — более бедную смесь с соотно
ществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоз-
ществ в отработавших газах в зависимости от состава топливовоз-
душной смеси а
душной смеси а
шением, меньшим 17, и воспрепятствовать перемешива
нию этих смесей в процессе сгорания с тем, чтобы снизить образование NOX до минимума.
Химические процессы при сгорании топлива в цилиндре сложны, и их подробное описание имеется в специальной литературе [10]. На рис. 56 показан практически лишь результат их протекания. Если ранее для обеспечения максимальной мощности двигателя всегда использовалась
богатая смесь, то в настоящее время из-за ограничений содержания вредных веществ в отработавших тазах используются смеси стехиометрического состава. В будущем в так называемых «чистых» двигателях перейдут на использование бедных смесей.
Наибольшие проблемы создают окислы азота NO^, возникающие в большом количестве при тех соотношениях топливовоздушной смеси, когда содержание СО и СНЯ минимально. NOX образуются при высокой температуре сгорания. Снизить эту температуру можно добавлением во всасываемый воздух инертного газа. В качестве последнего можно использовать, например, водяной пар. Однако возить и хранить емкость с водой для этих целей неудобно и непрактично, так как зимой вода замерзает. Поэтому используют газ, имеющийся в распоряжении' при любых условиях, а именно — охлажденные отработав-
шие газы, которые вновь направляются во впускную трубу двигателя (так называемая рециркуляция отработавших газов).
Обеднение смеси, как уже говорилось выше, ограничено возможностью ее воспламенения. Преодолеть этот барьер можно с помощью образования смеси, расслоенной таким образом, чтобы в зоне свечи находился некоторый объем богатой смеси, способной к легкому воспламенению, который при сгорании затем беспрепятственно воспламенит оставшуюся часть бедной смеси в цилиндре.
Расслоение заряда может быть создано как в неразделенной камере сгорания, так и путем создания отдельной дополнительной камеры сгорания с богатым составом смеси. В первом случае используется большая масса неиспарившихся капель топлива и за счет сил инерции при движении двухфазного потока смеси эти капли обогащают топливом определенную часть камеры сгорания. В частности, при вращении топливовоздушного заряда вокруг оси цилиндра богатая смесь образуется на его стенках.
Кроме вращения смеси и центробежной силы инерции жидких капель можно использовать также и поступательное движение потока смеси. Этот случай характерен при вытеснении заряда из зазора между поршнем и головкой цилиндра (так называемой зоны вытеснителя, служащей для улучшения антидетонационных свойств камеры сгорания) в конце хода сжатия. Капли топлива в последнем случае ускоряются потоком, выходящим из зазора, и по инерции движутся в предназначенную зону вблизи свечи зажигания. Определенное расслоение происходит также в течение такта сжатия и в условиях камер сгорания без вытеснителей за счет того, что в первой половине хода сжатия капли ускоряются потоком от перемещающегося днища поршня, а во второй половине хода по инерции попадают на стенки камеры сгорания в головке цилиндра.
Смесь бедного состава выгодна как с точки зрения достижения высокого индикаторного КПД, так и для снижения образования вредных углеродосодержащих, соединений, хотя ее использование приводит к уменьшению удельной мощности двигателя. В настоящее время, однако, наиболее важными факторами являются экономичность эксплуатации и снижение содержания вредных веществ в отработавших газах, и поэтому наряду с работой
иа бедных составах смеси для компенсации снижения мощности используют более высокие степени сжатия.
Возникновение детонации предупреждается при этом соответствующим опережением зажигания, что обеспечивает также более мягкое сгорание в двигателе.
КАМЕРЫ СГОРАНИЯ
БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Если камера сгорания занимает объем над всей поверхностью днища поршня, то возникает слишком большая поверхность охлаждения. Поэтому стремятся создать компактную камеру сгорания в зоне свечи зажигания, а над днищем поршня — образовать зазор между ним и поверхностью головки цилиндра (уже упоминавшуюся выше зону вытеснителя). Этот зазор выполняет две функции —т обеспечивает компактность и малую поверхность камеры сгорания, а к концу хода сжатия способствует созданию интенсивного движения (турбулизации) заряда в ней.
Г. Р. Рикардо определил важность турбулизации заряда уже на начальном этапе развития двигателей внутреннего сгорания. Камера сгорания «Рикардо», примененная в двигателях с боковыми клапанами, значительно улучшила нх параметры. Компактная, расположенная над клапанами, она имела небольшую поверхность отвода теплоты к охлаждающей жидкости, а турбулентность, создаваемая вытеснителем, ускоряла сгорание. Завихри- вание горячего газа около стенок камеры сгорания, хотя и увеличивает отдачу теплоты в них, но при этом позволяет повысить степень сжатия, что с избытком компенсирует некоторый рост тепловых потерь в стенки.
В настоящее время двигатели внутреннего сгорания выполняются с клапанами, расположенными в головке цилиндров, и распределительными валами, размещенными в блоке цилиндров (схема ОНУ) или в его головке (схема ОНС). Камера сгорания при этом образована над днищем поршня. Для упрощения механизма газораспределения клапаны чаще всего располагают на продольной оси двигателя и камера сгорания под ними обычно выполнена ваннообразной. Для облегчения доступа к свече зажигания иногда она расположена сбоку камеры сгорания, а на противоположной свече стороне между поршнем И головкой блока цилиндров образован вытеснитель. За-
Рис. 57. Бензиновый двигатель с клиновой камерой сгорания
ряд, вытесняемый из него в конце сжатия, направлен к свече зажигания и обогащает смесь вблизи нее. Такие ваннообразные (плоскоовальные) камеры сгорания с небольшими изменениями применяют практически у всех современных двигателей.
Так называемая клиновая камера сгорания, полученная . из плоскоовальной наклоном клапанов для получения лучшей формы газовых каналов, показана на рис. 57. Свеча зажигания в этом случае сдвинута в сторону вы-
пускного клапана, движение заряда в камере направлено к свече. У клинообразной камеры сгорания большая часть ее объема сконцентрирована возле свечи, благодаря чему сначала должно сгорать наибольшее количество заряда, а в самой удаленной от свечи зоне камеры сгорания, где имеется опасность детонации, должно находиться сравнительно небольшое количество переохлажденной смеси в зазоре вытеснителя. Такая камера обеспечивает мягкое сгорание и низкие тепловые потери. Жесткость работы двигателя оценивается скоростью нарастания давления, т. е. повышением давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на Г*Решающее значение имеет участок поворота, соответствующий интервалу между образованием искрового разряда (воспламенение смеси) и ВМТ. Мягким считается процесс сгорания, при котором скорость нарастания давления лежит в пределах 0,2— 0,6 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала. Уровень шума при работе двигателя зависит также от зазоров между поршнем и цилиндром и между валом и его подшипниками.
Широко применявшаяся ранее полусферическая камера сгорания также претерпевает в настоящее время изменения. Камера такой формы применяется у двигателей спортивных, гоночных автомобилей для достижения высокой удельной мощности. При использовании в головке цилиндра двух распределительных валов и большом угле развала клапанов можно разместить в головке цилиндра клапаны большого диаметра. При этом поверхность камеры сгорания по отношению к ее объему достаточно мала. Обеспечивается также хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, поскольку ему не препятствуют стенки цилиндра или камеры сгорания. Впускной и выпускной каналы имеют небольшую длину и малую поверхность. Двигатели с такой камерой сгорания имеют довольно высокий КПД. На рис. 58 приведен пример классического исполнения полусферической камеры сгорания.
У современных гоночных автомобилей эта камера сгорания значительно изменена. Для уменьшения сил инерции в клапанном механизме применяют четыре клапана в одном цилиндре, что приводит к образованию камеры сгорания так называемой шатровой формы. В ней можно разместить одну свечу зажигания непосредственно на оси цилиндра. Для получения в таких камерах высоких сте- 120
Рис. 58. Полусферическая камера сгорания
пеней сжатия днище поршня имеет выпуклую форму, и в нем делаются выемки для клапанов. В связи с этим поршень становится достаточно массивным, что при четырехклапанном варианте вызвало переход к шатровой камере сгорания с малым углом — около 20° между рядами клапанов, Использований такой камеры сгорания обеспечивает большое проходное сечение седел клапанов, малую массу деталей механизма газораспределения, пригодного для высоких частот вращения — до 12 000 мин-1, малую поверхность камеры сгорания без больших выемок под клапаны и малую массу поршня. Если при такой конструкции клапан не закроется, то поршень ударит по нему, но не изогнет и, следовательно, не вызовет серьезного повреждения дорогостоящей головки цилиндра.
Для двигателей гоночных автомобилей важным является быстрый процесс сгорания, также обеспечиваемый сильной турбулизацией заряда. При этом ось вращения заряда должна быть параллельна оси коленчатого вала, а ось впускной трубы — максимально возможно приближена к оси впускного клапана. На рис. 59 изображена подобная камера сгорания.
Если применяется полусферическая камера сгорания в двухклапанном исполнении, то оси клапанов не должны пересекаться с осью цилиндра. Чаще всего клапаны слегка отклонены от оси цилиндра, расположены в сферической части камеры и их углубление в поршень в этом случае невелико. Под выпускным клапаном в днище поршня делается небольшая выемка и зазор между поршнем и головкой обеспечивает завихривание заряда, необходимое для мягкой работы двигателя. Классическая же полусферическая камера сгорания характеризуется жесткой работой двигателя.
Для сжигания сильно обедненных смесей было разработано несколько новых видов камер сгорания. Большей частью они характеризуются стремлением достичь в объ-' еме камеры послойного распределения заряда с образованием вблизи свечи зажигания богатой смеси. Часто эти камеры имеют форму тел вращения и располагаются в днище поршня. Пример подобной камеры приведен на рис. 60. Тангенциальное расположение впускного канала относительно цилиндра обеспечивает вращение заряда вокруг оси цилиндра, усиливающегося еще больше в ВМТ после вытеснения заряда с периферии цилиндра в камеру, диаметр которой меньше диаметра цилиндра.
Рис. 59, Бензиновый двигатель «Феррари» с камерой сгорания шатровой формы и малым углом между клапанамиРис. 59, Бензиновый двигатель «Феррари» с камерой сгорания шатровой формы и малым углом между клапанами
Рис. 59, Бензиновый двигатель «Феррари» с камерой сгорания шатровой формы и малым углом между клапанами
Рис. 59, Бензиновый двигатель «Феррари» с камерой сгорания шатровой формы и малым углом между клапанами
Рис. 60. Бензиновый двигатель с цилиндрической камерой сгорания в днище поршня
Свеча зажигания располагается в зоне камеры, где смесь обогащена. Головка цилиндра выполнена плоской, и выход потока из клапанной щели не тормозится ни стенкой цилиндра, ни стенкой камеры сгорания. Сразу же после открывания клапана его сечение открыто для прохода газового потока, за исключением зоны вблизи стенки цилиндра, однако это не имеет принципиального значения, так как поворот впускного канала не направлен в эту сторону.
Поршень с расположенной в днище камерой сгорания имеет большую массу и его температура выше, чем температура стенки камеры сгорания, размещенной в головке цилиндра. Последнее вызывает ухудшение теплоотдачи от газа к головке цилиндра и уменьшение потерь теплоты в систему охлаждения.
Размер клапана в головке цилиндра обусловлен диаметром цилиндра. Тарелка клапана не должна выступать 124
за окружность цилиндра, так как при этом растет площадь охлаждения и ухудшается очистка цилиндра. Большие размеры клапана, кроме того, непрактичны, так как значительная часть его периметра заслоняется стенкой камеры сгорания.
Увеличения диаметра впускного клапана можно достичь за счет уменьшения диаметра выпускного клапана, который может быть на 15 % меньше, чем впускной. В момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре достаточно высокое, и хорошая очистка цилиндра может быть обеспечена и при уменьшенном сечении клапана. Кроме того, у выпускного клапана меньшего размера также меньше и деформация седла, и он быстрее охлаждается.
Клапаны наибольших размеров можно получить в полусферической камере сгорания, у которой диаметр впускного клапана может достичь 0,64, а выпускного — 0,54 диаметра цилиндра. При меньшем развале осей клапанов, а также при наличии седел клапанов у алюминиевых головок диаме_тры клапанов на 10 % меньше приведенных выше величин.
8.6. КАМЕРЫ СГОРАНИЯ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ СЖИГАНИЕ БЕДНЫХ СМЕСЕЙ
В новых конструкциях камер сгорания, предназначенных для сжигания бедных смесей, проявляются требования к смесеобразованию, характерные как для бензиновых двигателей, так и для дизелей. В этих конструкциях часто используется впрыск бензина непосредственно в цилиндр или в небольшую камеру с размещенной в ней свечой зажигания. Если обеспечено надежное воспламенение смеси в зоне свечи, то в цилиндр может подаваться чистый воздух без дросселирования. Мощность двигателя при этом регулируется количеством впрыскиваемого топлива. В этом случае действительная степень сжатия при неполной нагрузке двигателя не изменяется, и КПД двигателя увеличивается.
Двигателем такого «переходного» типа является экспериментальный двигатель «Форд ПРОКО», имеющий непосредственный впрыск топлива в цилиндр и искровое зажигание; На тактах впуска и сжатия воздуху в цилиндре придается интенсивное вращение, по направлению 4 которого близко друг к другу (см. рис. 61) размещены топливная форсунка 1 и свеча зажигания 2.
Рис. 61. Принципиальная схема организации рабочего процесса в двигателе «Форд ПРОКО»:1 — форсунка; 2 — свеча зажигания; 3 — горящий заряд; 4 — направление вращения воздухаРис. 61. Принципиальная схема организации рабочего процесса в двигателе «Форд ПРОКО»:1 — форсунка; 2 — свеча зажигания; 3 — горящий заряд; 4 — направление вращения воздуха
Рис. 61. Принципиальная схема организации рабочего процесса в двигателе «Форд ПРОКО»:
1 — форсунка; 2 — свеча зажигания; 3 — горящий заряд; 4 — направление вращения воздуха
Рис. 61. Принципиальная схема организации рабочего процесса в двигателе «Форд ПРОКО»:
1 — форсунка; 2 — свеча зажигания; 3 — горящий заряд; 4 — направление вращения воздуха
Рис. 62. Камера сгорания конструкции Г. Уэслейка.-
1 — e«H<U зажигания; 2 — впускной клапан; 3 — выпускной клапан
Впрыск топлива начинается непосредственно перед искрообразованием. Таким путем обеспечивается обогащение смеси в зоне свечи зажигания к моменту искрового разряда; далее подача топлива может продолжаться уже при горящем заряде 3. Детонация не возникает, так как топливо содержится в основном в малом объеме между форсункой и свечой. Воздух, подаваемый в цилиндр, не дросселируется.
Этот способ не нашел применения в практике из-за высокой стоимости топливной аппаратуры, системы зажигания, а также недостаточной удельной мощности двигателя (около 22 кВт/л).
Над созданием и совершенствованием камер сгорания автомобильных двигателей работает в Англии известный специалист Г. Уэслейк. Он разработал и создал камеры сгорания для двигателей известных автомобилей «Ягуар», «Бентли» и ряда популярных кроссовых мотоциклов. Созданная им камера сгорания для работы на бедных смесях имеет форму сердцевидного углубления в головке цилиндра (рис. 62), Этот объем ограничивается клапанами и свечой зажигания. Вытеснитель между головкой й поршнем обеспечивает интенсивную турбулизацию заряда в камере в конце хода сжатия.
В камере сгорания Уэслейка наибольший интерес представляет специальный канал, выполненный в ее днище. Канал проходит от впускного клапана к свече зажига-
ния. Тарелка впускного клапана перемещается при малом подъеме вдоль цилиндрической выемки камеры сгорания. В связи с этим при малом цодъеме клапана выход из его щели дросселируется, кроме той ее части, где расположен проходящий к свече и утопленный до плоскости седла клапана соединительный канал. Сразу же после открытия клапана богатая смесь через этот канал может поступать непосредственно к свече зажигания. При большем подъеме все сечение клапана освободится, и смесь будет свободно заполнять весь объем цилиндра. Такая модернизация камеры сгорания автомобиля «Остин Аллегро» фирмы «Бритиш Лейланд» (Англия) позволила Г. Уэслейку достичь в 1976 г. уменьшения расхода топлива с 9,17 л/100 км до 7,66 л/100 км. В перспективе можно уменьшить расход топлива у этого автомобиля до 6 л/100 км. а
Хорошие результаты были достигнуты швейцарским конструктором М. Мэем, разработавшим камеру сгорания, показанную на рис. 63. Новая камера сгорания была получена путем модернизации серийной камеры сгорания и приобрела известность под названием «Файер Болл». Впервые она была применена фирмой «Ягуар» на 12-цилиндровом V-образном двигателе.
В этой камере выпускной клапан размещен в ваннообразной выемке; в этом же объеме размещена свеча зажигания. Поршень с плоским днищем вытесняет заряд в конце такта сжатия в выемку, где возникает интенсивное вращение заряда. Объем под менее углубленным впускным клапаном и выемка соединены неглубоким каналом. Интенсивное завихривание обеспечивает возможность использования степени сжатия е = 16. Соотношение воздух/ топливо равно 18. Автомобиль «Фольксваген Пассат» с таким экспериментальным двигателем работал на топливе с октановым числом 92 (по исследовательскому методу) со степенью сжатия 11,6. При постоянной скорости автомобиля 80 км/ч расход топлива уменьшился с 5,9 Л/100 км до 3,9 л/100 км.
В автомобиле «Ягуар» была использована вместо камеры сгорания старой конструкции камера сгорания М. Мэя, расположенная в головке цилиндра (рис. 64). Поршень с плоским днищем стал более легким и менее теплонапряженным, а небольшой зазор вытеснителя снизил образование СНЖ. Расход топлива при е = 12,5 снизился на 20 %,
По данным испытаний, проведенных швейцарским журналом «Аутомобиль-Ревю», средний расход топлива у автомобиля «Фольксваген Пассат TS» с двигателем,* имевшим камеру сгорания такой же конструкции, б&ш снижен с 8,5 л/100 км до 4,96 л/100 км.
Карбюраторный двигатель автомобиля «Порше 924» был специально модернизирован для использования бедных смесей. Степень сжатия у него была повышена до е = 12,5, и при частичной нагрузке двигателя смесь можно было обеднить до а = 1,2. Камера сгорания образована внецентренно в днище поршня для достижения лучшего завихривания заряда, необходимого для сжигания бедных смесей.
Регулирование состава смеси от а = 0,9 при полной нагрузке до а = 1,2 при частичной нагрузке и обеспечение оптимального опережения зажигания позволили достичь значительного снижения расхода теплина при движении в городском цикле. При скорости 90 и 120 км/ч повышение топливной экономичности составляло от 6 до 12 %. Достигнутые результаты видны из сопоставления кривых реальных степеней сжатия двигателя с геометрической степенью сжатия е = 8,5 и этого же модернизиро-
Рис. 63. Схема камеры сгорания «Файер Болл» конструкции М. Мэя: I -~ свеча зажигания; 2 — впускной клапан; 3 — выпускной клапан
Рис. 64. Головка цилиндров двигателя «Ягуар HE-VX2» с камерами сгорания «Файер Болл»;
1 — выпускной канал
Рис. 65. Камера сгорания двигателя «Хонда»:
1 — основная камера^ сгорания; 2 — впускной клапан; 3 — впускной канал форкамеры; 4 — клапан форкамеры; 5 — свеча зажигания; 6 — форкамера; 7 — отверстие соединительного канала форкамеры с основной камерой сгорания
ванного двигателя с геометрической степенью сжатия, повышенной до е = 12,5 (см. рис. 51).
. Минимальный удельный расход топлива этого двигателя снизился с 280 до 260 г/кВт-ч, причем снижение расхода топлива достигнуто во всем диапазоне нагрузок и частот вращения двигателя. Еще лучшие результаты могут быть получены, если применить для регулирования зажигания и состава смеси электронные устройства.
Значительные успехи в сжигании бедных смесей в бензиновых двигателях достигнуты фирмой «Хонда», применившей так называемую продуваемую форкамеру малых размеров с самостоятельным впускным каналом и клапаном для подачи обогащенной смеси. Свеча зажигания расположена на боковой поверхности форкамеры. На рис. 65 показан разрез головки цилиндра такого двигателя. Смесь, воспламенившаяся в форкамере, выбрасывается под давлением через узкое отверстие в основную камеру сгорания, где поджигает сильно обедненный интенсивно вращающийся заряд, поступивший через основной впускной клапан.
Несмотря на трудности, связанные с обеспечением надежной работы клапана форкамеры, созданием вспомогательного канала в головке, сложного карбюратора и
Рис. 66. Расположевие непродуваемой форкамеры и свечи зажигания в бензиновом двигателе «Тойота» (Япония)Рис. 66. Расположевие непродуваемой форкамеры и свечи зажигания в бензиновом двигателе «Тойота» (Япония)термореактора для сжигания СО и СНХ, были достигнуты значительные успехи в устранении вредных веществ из - отработавших газов.
Рис. 66. Расположевие непродуваемой форкамеры и свечи зажигания в бензиновом двигателе «Тойота» (Япония)
Рис. 66. Расположевие непродуваемой форкамеры и свечи зажигания в бензиновом двигателе «Тойота» (Япония)
Хороших результатов достигла японская фирма «Ниссан» на автомобилях модели «NASP Z510» с карбюраторным двигателем и на модели «200 SK» с двигателем, оборудованным впрыском бензина. В обоих случаях применялась полусферическая камера сгорания. . Уменьшение образо
вания NOX было получено рециркуляцией 17 % отработавших газов, что позволило сохранить высокую индикаторную мощность двигателя- и низкие удельные расходы топлива. Достижению хороших результатов способствовало зажигание двумя свечами, расположенными друг против друга в камере сгорания, что значительно сократило путь пламени. Специальная вставка, помещенная во впускном канале, создавала интенсивное вращение смеси в цилиндре, что увеличила скорости сгорания..
Головки цилиндров типа «кросс флоу» (с расположе-- нием впускных и выпускных каналов по разные стороны продольной 'оси двигателя) имеют впускной клапан, несколько сдвинутый от оси цилиндра с тем, чтобы освободить место для свечи зажигания. Для обеспечения хорошего коэффициента наполнения диаметр клапана может быть увеличен на 10 %. На рис. 66 показана часть такой головки цилиндров двигателя «Тойота» (Япония) с малой непродуваемой, т. е. без специального клапана, форкамерой. Поступление богатой смеси в форкамеру обеспечивается клювообразным выступом-турбулизатором на входе в нее, частично выступающим в основную камеру сгорания. В конце хода сжатия воздух, поступающий в форкамеру, как бы втягивает в нее топливо, собранное за счет центробежных сил.
Свеча зажигания установлена на входе в форкамеру, поскольку испытания показали, что это место является оптимальным для ее размещения. Все вышеописанные конструктивные мероприятия позволяют использовать 153
сильно обедненные смеси с массовым соотношением воз- дух/топливо, равным 19 (а яз 1,27—1,28). Выпускная д'Руба теплоизолирована от головки цилиндра, а в выпускном канале головки установлен теплоизоляционный вкладыш. Для устранения из отработавших газов СО и СНЖ применен термический реактор.
КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ
У дизелей требования к форме камеры сгорания определяются процессом смесеобразования. Для создания рабочей смеси в них отводится очень малое время, так как почти сразу после начала впрыска топлива начинается сгорание, и остаток топлива подается уже в горящую среду. Каждая капля топлива должна войти в соприкосновение с воздухом как можно быстрее, чтобы выделение теплоты произошло в начале хода расширения.
Для удовлетворения этих требований необходимым является создание интенсивного направленного движения воздуха, но организовать этот процесс нужно так, чтобы с впрыскиваемым топливом смешалось необходимое для сгорания количество воздуха. Принципиально для этой цели существуют две возможности: направлять либо воздух к топливу, либо топливо к воздуху. У автомобильных дизелей используются оба способа.
В первом из них топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр несколькими струями (факелами),, которые обдуваются вращающимся потоком воздуха. Ско- рссть потока должна обеспечивать прохождение воздухом пути от одной струи к другой за время сгорания.
Число струй, однако, ограничено и поэтому необходимое количество топлива должно впрыскиваться с определенной скоростью, чтобы обеспечивалось, его хорошее рас- пыливание. Если топливо хорошо распылено, то оно быстро прогревается после впрыска в горячий воздух, и время, проходящее до его воспламенения (так называемая задержка воспламенения), уменьшается. Малое время задержки воспламенения нужно для того, чтобы количество топлива, поданного в камеру сгорания за этот
период, не было настолько большим^ чтоб» после- воспламенения вызвать резкое нарастание давления и большую жесткость работы двигателя. Регулирование процесса, сгорания может быть обеспечено законом подачи топлива в уже воспламененную среду.
Если скорость, время и количество подаваемого топлива определены, то можно рассчитать диаметр силовых отверстий распылителя форсунки, задавшись их числом. Для устранения опасности закоксовывания и обеспечения технологичности изготовления распылителей форсунок минимальный диаметр отверстий ограничивается 0,25—0,3 мм. Поэтому их число в автомобильных дизелях не превышает 4—5. В соответствии с этим должна быть установлена интенсивность вращения воздуха. Вращательное движение воздуха в цилиндре можно создать с помощью впускного канала тангенциальной или винтовой формы. Так же, как и у бензиновых двигателей, дополнительную турбулизацию заряда в дизеле можно создать в конце хода сжатия вытеснением воздуха из пространства между днищем поршня и головкой цилиндра.
Образование смеси с помощью второго способа — подвода топлива к воздуху — затруднено, если нельзя использовать большое число форсунок. У дизелей с разделенными камерами сгорания (предкамерных и вихрекамерных) впрыск осуществляется так, что все топливо подается во вспомогательную камеру малого объема, содержащую лишь часть воздуха, поступившего в цилиндр. При воспламенении топлива в этой камере давление повышается и вытесняет еще не сгоревшее топливо в объем основной камеры сгорания над поршнем, где сгорание завершается.
Таким образом по способу смесеобразования различают дизели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и дизели с разделенной камерой сгорания. При непосредственном впрыске камера сгорания образована в поршне, который имеет более высокую температуру, чем охлаждаемая головка цилиндра. Это уменьшает потери теплоты горячих газов в стенки камеры сгорания. Камера сгорания должна быть компактной с тем, чтобы потери теплоты при сжатии воздуха также не были большими и, следовательно, для достижения необходимой для воспламенения топлива температуры не требовалась слишком высокая степень сжатия. Величина степени сжатия дизеля сверху ограничена нагрузкой на кривошип-
ный механизм и потерями на трение, а снизу — условиями обеспечения так называемого холодного пуска. При непосредственном впрыске степень сжатия е лежит в пределах от 15 до 18. При холодном пуске дизели этого типа не требуют дополнительных мер для обеспечения воспламенения топлива.
У дизеля с разделенной камерой сгорания воздух во время такта сжатия поступает во вспомогательную камеру через соединительный канал с большой скоростью и при этом значительно охлаждается. Поэтому для обес- цечения необходимой температуры к моменту воспламенения требуется более высокая степень сжатия — от 20 до 24, но несмотря на это при холодном пуске двигателя .воздух во вспомогательной камере должен предварительно подогреваться с помощью специальной свечи накаливания, выключаемой после пуска двигателя.
Площадь поверхности основной и вспомогательной камер сгорания весьма велика, скорость движения воздуха около их стенок также достигает высоких значений. Это означает повышенную теплоотдачу в стенки, т. е. рост тепловых потерь. В связи с этим дизели с раздельной камерой ш орания имеют более высокие удельные расходы топлива, чем дизели с непосредственным впрыском.
Итак, дизели с непосредственным впрыском топлива более экономичны. Недостаток их состоит в значительном шуме при сгорании, однако у последних конструкций этот недостаток практически устранен. Главной причиной шума является высокая скорость нарастания давления в начальной фазе горения. Для устранения этого явления необходимо сократить период задержки воспламенения и управлять дальнейшим протеканием процесса сгорания посредством закона подачи топлива.
Хорошие результаты по снижению жесткости работы достигнуты в дизелях фирмы МАП с помощью сферической камеры сгорания, расположенной в поршне.
Форсунка в этих дизелях имеет только два отверстия, через одно из которых основная масса топлива впрыскивается на стенку камеры сгорания, а через другое — меньшая, запальная порция направляется в середину камеры, где воздух имеет наиболее высокую температуру. Воздуху в камере придано интенсивное вращение. Топливо, находящееся на стенке камеры, относительно холодное и поэтому воспламенения всей его массы сразу не проис-
ходит. Топливные пары поступают в поток воздуха со стенок камеры постепенно, смешиваются с ним, и образовавшаяся после этого топливовоздушная смесь воспламеняется. При этом обеспечивается мягкая и достаточно экономичная работа двигателя, в связи с чем возникло несколько близких по принципиальной схеме вариантов этого рабочего процесса.
В частности, в камере сгорания цилиндрической формы фирмы «Дойц» (ФРГ) одна струя впрыскивается параллельно оси камеры в пространство вблизи стенки. Полученные при этом способе результаты также можно оценить положительно. Следует отметить, что при -таком смесеобразовании многое зависит от температуры стенок камеры сгорания.
При затягивании процесса сгорания теплота, выделяющаяся в течение хода расширения, используется не полностью (см. рис. 50), из-за чего увеличивается удельный расход топлива, т. е. преимущества непосредственного впрыска топлива фактически теряются. В наиболее широко применяемых камерах сгорания тороидальной формы топливо впрыскивается по радиусу камеры на .ее стенку несколькими симметричными струями, расположенными под большим углом к вертикальной оси. При сгорании вначале реагирует часть топлива, смешиваемая с воздухом прямо у стенки. Газы, образующиеся при горении, имеют высокую температуру и небольшую ^плотность. При сильном вращении заряда на стенки камеры за счет центробежной- силы попадает холодный воздух из центральной части камеры, оттесняя к центру легкие продукты сгорания. Непосредственно вблизи стенок воздух смешивается с топливом. В лаборатории фирмы «Рикардо» (Англия) этот процесс был aapei истрирован на кинопленку. -
В дизелях с разделенными камерами сгорания вспомогательную камеру довольно просто создавать и при небольших диаметрах цилиндра. Это весьма Важно при конвертировании бензинового двигателя в дизель. Такая задача с успехом была решена под руководством П. Хофбауэра [11J на двигателе автомобиля «Фольксваген Гольф» (рис. 67).
В алюминиевой головке цилиндра была образована небольшая вихревая камера сгорания с форсункой и све-. чой накаливания. Выемка в днище поршня й выходное отверстие канала, соединяющего вихревую камеру с ци-
Рис. 67. Вихревая камера сгорания дизеля «Фольксваген»:
А —исходный вариант размещения свечн накаливания; Б — улучшенный вариант размещения свечн накаливания
линдром, выполнено обычным способом. Объем вихревой камеры составлял 48 % объема всей камеры сгорания. Рабочий объем двигателя был увеличен с 1100 см3 до 1500 см3, степень сжатия е = 23,5. Мощность этого дизеля при 5000 мин"1 составила 37 кВт.
Удельный расход топлива при частоте вращения п = = 2500 мин"1 дизельного и бензинового двигателей автомобиля «Фольксваген Гольф» показан на рис. 68.
При среднем эффективном давлении ре = 0,2 МПа удельный расход топлива у дизеля ниже на 25 %. С повышением нагрузки разница в топливной экономичности бензинового двигателя и дизеля уменьшается, а при работе в режиме полной нагрузки она равна нулю. Снижение удельного расхода топлива при частичной нагрузке является очень важным, так как для легковых автомобилей именно эти режимы являются наиболее типичными при движении в городских условиях.
Варианты конструкции дизеля «Фольксваген», отличающиеся размещением форсунки и свечи' накаливания, показаны на рис. 67. Изменение местоположения свечи
Рис. 68. Зависимость удельного расхода топлива ge от среднего эффективного давления ре двигателей «Фольк- сваген»:Рис. 68. Зависимость удельного расхода топлива ge от среднего эффективного давления ре двигателей «Фольк- сваген»:— — — — вихрекамерный дизель: — — — бензиновый двигатель— — — — вихрекамерный дизель: — — — бензиновый двигательРис. 69. Влияние размещения свечи накаливания в дизеле «Фольксваген» на его среднее эффективное давление ре, удельный расход топлива ge и дымность К отработавших газовРис. 69. Влияние размещения свечи накаливания в дизеле «Фольксваген» на его среднее эффективное давление ре, удельный расход топлива ge и дымность К отработавших газовнакаливания принесло уменьшение удельного расхода топлива и снижение дымности отработавших газов, что отражено на графиках,приведенных на рис. 69, а. , Влияние нагрузки, т. е.
Рис. 68. Зависимость удельного расхода топлива ge от среднего эффективного давления ре двигателей «Фольк- сваген»:
Рис. 68. Зависимость удельного расхода топлива ge от среднего эффективного давления ре двигателей «Фольк- сваген»:
— — — — вихрекамерный дизель: — — — бензиновый двигатель
— — — — вихрекамерный дизель: — — — бензиновый двигатель
Рис. 69. Влияние размещения свечи накаливания в дизеле «Фольксваген» на его среднее эффективное давление ре, удельный расход топлива ge и дымность К отработавших газов
Рис. 69. Влияние размещения свечи накаливания в дизеле «Фольксваген» на его среднее эффективное давление ре, удельный расход топлива ge и дымность К отработавших газов
среднего эффективного давления р„ на те же показатели при работе двигателя в режиме постоянной частотывраще- ния, равной 3000 мин""1, показано на рис. 69, б. Улучшение отчетливо видно на всех режимах работы двигателя. Вариант Б (см. рис. 67) отличается расположением свечи накаливания относительно направления вращения воздуха в вихревой камере. Эта конструкция, однако, достаточно сложна при ее реализации в производстве.
Энергетический кризис подтолкнул многих конструкторов автомобильных бензиновых двигателей к конвертированию их в дизельные с целью повышения индикаторного КПД. Конструктор и исследователь из ФРГ Л. Эльсбетт (22] при конвертировании бензиновых двигателей достиг экономии топлива до 20 %. В его дизелях ЭЛКО использует-
ся непосредственный впрыск топлива односопловой форсункой в сферическую камеру сгорания, расположенную в днище поршня. Ось струи делит радиус камеры пополам в точке пересечения с ним. Организация рабочего процесса использует эффект перемещения горячих продуктов сгорания малой плотности в центр вращающегося в камере сгорания воздушного заряда. Вследствие этого происходит хорошее перемешивание горящей смеси с воздухом, и так как сгорание происходит в основном в центре камеры, то тепловые потери в ее стенки относительно невелики.
Поршень состоит из двух частей, причем верхняя с размещенной в ней камерой сгорания и поршневыми кольцами стальная. Сталь обладает большой термической прочностью и худшей, чем алюминий, теплопроводностью, и поэтому поверхность камеры сгорания имеет более высокую температуру, что, в свою очередь, уменьшает теплопередачу от горячих газов в стенки камеры.
Такое решение, кроме того, предотвращает повышенный износ поршневых канавок, характерный для алюминиевых поршней дизелей.
Юбка поршня, служащая направляющей, изготовлена из алюминиевого сплава и соединяется с верхней частью через поршневой палец. Такая конструкция поршня обладает свойствами крейцкопфа, т. е. уменьшает действующие на стенку цилиндра боковые силы, возникающие при движении., шатуна, и создает предпосылки для исключения, являющегося одним из источников шума при работе двигателя опрокидывающего момента, который действует на верхнюю часть поршня.
Для снижения удельного давления на поршневой палец верхняя головка шатуна и бобышки днища поршня имеют клиновидную форму в сечении по оси пальца. Благодаря этому площадь верхней части бобышки днища поршня больше нижней его части. Аналогично нижняя часть втулки шатуна имеет также большую площадь, чем верхняя. Края поршневого пальца воспринимают лишь незначительные силы от юбки поршня.
Водяные каналы в головке цилиндра дизеля ЭЛКО исключены. Теплота отводится только от наиболее важных мест, таких как межклапанные перемычки и отверстия для форсунок при помощи масла, циркулирующего по специально высверленным каналам диаметром 6—8 мм. С целью уменьшения отвода теплоты цилиндры
Рис. 70. Характеристики дизелей ЭЛКО:
а — пятицилиидровый двигатель с рабочим объемом 2300 см"; б — шестицилиндровый двигатель с рабочим объемом 13 300 см*
охлаждаются таким образом, чтобы температура их верхней зоны не превышала температуру, необходимую для обеспечения смазывания.
При таком уменьшении теплоотвода в систему охлаждения большее количество теплоты отводится, одиако с отработавшими газами, что, естественно, приводит к применению турбины для использования этой теплоты. Удельные расходы топлива дизелей ЭЛКО изображены на рис. 7Q, где представлены многопараметровые характеристики пятицилиндрового дизеля с рабочим объемом 2300 см3 мощностью 80 кВт (рис. 70, а) и шестицилиндрового с рабочим объемом 13 300 см3 (рис, 70, б). Оба дизеля имеют газотурбинный -наддув без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.
Уменьшение теплоотдачи в систему охлаждения поз- • воляет использовать радиатор меньшего объема и соответственно вентилятор-меньшей мощности. Если учесть необходимость отапливания автомобиля в холодный период, для чего вполне достаточно теплоты, отводимой от двигателя, то радиатор для охлаждения двигателя в этот период может вообще не потребоваться.
При сравнении удельных расходов топлива нужно учитывать влияние целого ряда факторов. Так, чем больще диаметр цилиндра, тем более выгодные условия имеются 138
для достижения малого удельного расхода топлива. Важным является также отношение диаметра цилиндра к величине хода поршня. Л. Эльсбетт называет свой дизель «теплоизолированным», что является определенным-шагом вперед в направлении создания адиабатного двигателя, о котором будет сказано в следующих главах книги. Некоторые особенности конструкции дизеля ЭЛКО показаны на рис. 71.
Дизели непосредственного впрыска по сравнению с дизелями- с разделенными камерами сгорания имеют лучшие условия для уменьшения тепловых потерь в систему охлаждения. Выше уже говорилось о менее интенсивном охлаждении поверхности камеры сгорания и снижении скорости движения горячих газов около стенок. Одиако и при непосредственном впрыске могут создаваться различные условия для отвода теплоты. В качестве примера на рис. 72 показан процесс совершенствования камеры сгорания дизеля «Татра ША» (ЧССР).
В первом варианте этого дизеля воздушного охлаждения была использована камера сгорания полусферической формы. Таким путем при помощи больших клапанов стремились получить хорошее наполнение цилиндра и • благодаря большому углу развала клапанов обеспечить возможности создания ребер охлаждения в. зоне седла выпускного клапана.. Для получения требуемой величины объема камеры сгорания диище поршня имело куполообразную форму, камера сгорания теряла компактность, и ее развитые поверхности охлаждения приводили к большим потер ям теплоты и пониженным температурам в конце сжатия.
Рис. 71. Конструкция поршня и головки цилиндра дизеля ЭЛКОРис. 71. Конструкция поршня и головки цилиндра дизеля ЭЛКОУменьшив угол развала клапанов и применив почти параллельное их расположение, достигли
Рис. 71. Конструкция поршня и головки цилиндра дизеля ЭЛКО
Рис. 71. Конструкция поршня и головки цилиндра дизеля ЭЛКО
Рис. 72. Совершенствование камеры сгорания дизеля «Татра 111 А»: а — исходный вариант; б — модернизированный вариант
почти плоского днища головки цилиндра и уменьшения по- верхности охлаждения. Камера сгорания была размещена в днище поршня и стала более компактной. Температура стенок камеры сгорания в поршне выросла и уменьшился отвод теплоты через них. Узкая горловина камеры сгорания обеспечила интенсивное завихривание воздуха при сжатии, что способствовало улучшению смесеобразования и регулирования процесса сгорания. Тем самым были снижены тепловые потери при сгорании, улучшены условия холодного пуска, уменьшен шум. Удельный расход топлива при этом снизился на 15 %. Сравнение начального и модернизированного вариантов камеры сгорания, по- 140
казанных на рис. 72, является примером того, как с помощью конструкции камеры сгорания можно снизить расход топлива.
ХАРАКТЕРИСТИКА
КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЯ
Для автомобильного двигателя желательно большое значение крутящего момента при низких частотах вращения. При увеличении крутящего момента с уменьшающейся одновременно частотой вращения двигателя в случае движения автомобиля на подъеме его скорость падает, но при этом нет необходимости переключать коробку передач на более- низкую ступень. Это удобно для водителя и такой характеристике крутящего момента всегда отдают предпочтение.
Зависимость крутящего момента двигателя от его частоты вращения в значительной степени обусловлена фазами газораспределения, т. е. моментами открывания и закрывания клапанов. Для получения хорошего наполнения цилиндров при низких частотах вращения двигателя не требуется большого запаздывания закрывания впускного клапана после НМТ, поскольку при низких скоростях воздуха, проходящего через клапанную щель в этих условиях, цилиндр хорошо наполняется. Поэтому впускной клапан на низких частотах вращения двигателя желательно закрывать сразу после НМТ.
В период хода расширения для достижения большого значения крутящего момента целесообразно, чтобы давление в цилиндре действовало на поршень как можно дольше и выпускной клапан открывался по возможности ближе к НМТ. При низких частотах вращения двигателя малой продолжительности открытия клапана достаточно для снижения давления газов в цилиндре прежде, чем поршень дойдет до НМТ, и на такте выпуска при движении поршня к ВМТ на него уже не будет действовать большое противодавление отработавших газов.
При высоких частотах вращения время открытия клапана сокращается и поэтому для хорошего наполнения цилиндра и хорошей его очистки клапаны должны быть открыты в течение большего угла поворота коленчатого вала. Таким образом, впускной клапан должен закрываться позднее, а выпускной — открываться раньше относительно НМТ. Такие фазы газораспределения, есте-
ственно, невыгодны при низких частотах вращения, так как в этом случае перед закрытием впускного клапана происходит выталкивание части воздуха, поступившего в цилиндр ранее, а выпускной клапан открывается слишком рано и из цилиндра отводятся газы с относительно высоким давлением, т. е. с неполностью использованной энергией.
Для того чтобы двигатель имел малую массу и размеры, необходимо повышать его рабочие частоты вращения. Тем самым к двигателю предъявляются требования противоположного характера и из-за этого возникает необходимость поиска компромиссного решения.
Выгодно было бы регулировать фазы газораспределения в зависимости от частоты вращения. Однако такие устройства слишком сложны и дороги, до сих пор их не удалось реализовать на практике, за исключением специальных одноцилиндровых двигателей, служащих для исследовательских целей и опытно-конструкторских работ. При использовании такого устройства желательно также изменение величин хода клапанов, чтобы при низких частотах вращения скорость входа воздуха в цилиндр была достаточной для интенсивной турбулизации заряда.
В качестве примера такое автоматическое устройство для регулирования фаз газораспределения, разработанное инж. Торапци иа фирме «Фиат», показано на рис. 73. Устройство подобно обычному газораспределительному механизму с одноплечим рычагом (рокером) между кулач- ком верхнего распределительного вала й клапаном. Отличие заключается в том, что кулачок не вращается, а колеблется. Специальный кривошипный механизм поворачивает кулачок до положения, соответствующего наибольшему открытию клапана, а затем поворотом в противоположную сторону обеспечивается его закрывание. Ось одноплечих рычагов можно перемещать относительно оси распределительного вала посредством плунжера с гидроприводом. Форма рычага выполнена таким образом (см. рис. 74), что при контакте рычага с кулачком гидравлический плунжер может перемещать ось рычагов относительно оси кулачка без открытия.клапана. С помощью этого перемещения изменяется момент открытия клапана и его ход.
Ось рычагов перемещается автоматически в зависимости от частоты вращения нагрузки и двигателя. Привод плун- 142
Р.ис. 73. Газораспределительный механизм с устройством регулирования подъема клапана н фаз газораспределения на ходу двигателя жера осуществляется давлением масла, которое’ изменяется пропорционально частоте 'вращения дви-т-ателя. Регулирование в зависимости от нагрузки двигателя производится по давлению в его впускной трубе. ■ Во время испытаний на двигателях фирмы «Фиат» было* достигнуто увеличение крутящего' момента при низких частотах вращения на 30 %, а при номинальной частоте вращения— на 5 %. Для пяти положений оси рычагов (рис. 74) было получено пять различных значений фаз газораспределения, приведенных в табл. 7.
Существуют другие способы привода клапанов, более пригодные для автоматического регулирования, в частности, гидравлический привод. Открывание и закрывание
Рнс.. 74. Устройства регулировании подъема клапана н фаз газораспределении: 0—5 — положения осн рычагов, соответствующие различным фазам газораспределения •
7. Фазы газораспредеяенея при раэиичннгх положениях оси рычагов «лапанов
Положение оси рычагов на рис. 74
Впускной клапан
Выпускной клапан
Открывание, град, до ВМТ
Закрывание, град, после НМТ
Открывание, град, до НМТ
Закрывание, град, после ВМТ
1
10
34
41
3
2
16
42
47
11
3
22
50
53
19
4
34
66
65
35
5
40
74
71
43
клапанов должно быть точно рассчитано во времени, поэтому, если клапан закрывается с помощью пружины, то необходимо точное управление ею, аналогичное описанному выше. Это означает, что изменения времени открывания клапана и его хода можно достичь управлением подачей масла от аккумулятора давления через специальный клапан.
Открывание клапана только управлением временем подачи масла под давлением из аккумулятора не соответствует требованиям, так как простым закрыванием подачи масла из-за влияния инерции клапана нельзя достичь одинакового закона движения клапана при.различных частотах вращения.двигателя. Время закрывания клапана в этом случае зависело бы только от усилия клапанной пружины и от площади отверстия для. подвода масла, что не позволило бы снизить скорость клапана перед его контактом с седлом. Если представить При этом трубопроводы от каждого плунжера для гидропривода клапана к распределительному устройству или насосу, опасность разгерметизации этих трубопроводов, Загустевание масла при низких температурах и т. д., то трудности такого конструкторского решения привода клапанов становятся понятными.
Исследуются возможности электромагнитного способа открывания и закрывания клапанов. Уже созданы устройства, которые открывают клапан в соответствии -с точно заданным ходом за 0,005 с. При этом также необходимо управлять скоростью при посадке клапана на седло, причем время открывания не должно зависеть от частоты вра- 144
щения двигателя; Электрические системы управления клапанами также известны, однако в широком масштабе они не могут быть использованы ввиду высокой стоимости их изготовления и ряда конструктивных недостатков, прежде всего больших размеров. Однако с развитием электронной техники эти проблемы могут быть решены, что позволит применить более простые решения и в приводах от двигателя к ведущим колесам.
9. ПОТЕРИ ТЕПЛОТЫ.
ОТВОДИМОЙ В СИСТЕМУ ОХЛАЖДЕНИЯ И УНОСИМОЙ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ
В- предыдущих главах основное внимание уделялось тем потерям, которые можно преобразовать в полезную работу. Однако большее количество тепловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами. Отвод теплоты в систему охлаждения ■ необходим для того, чтобы воспрепятствовать пригоранию поршневых колец, обгоранию седел клапанов, задиру и заклиниванию поршня, растрескиванию головок цилиндров, возникновению детонации и т.п. Для отвода теплоты в атмосферу часть эффективной мощности двигателя расходуется на привод вентилятора и водяного насоса. При воздушном охлаждении мощность, расходуемая на привод вентилятора, выше из-за необходимости преодоления большого аэродинамического сопротивления, создаваемого оребрением головок и цилиндров.
Для снижения .потерь важно выяснить, сколько теплоты необходимо отводить в систему охлаждения двигателя и каким способом можно уменьшить это количество. Г. Рикардо уделял этому вопросу большое внимание уже на начальном этапе развития двигателестроения. На экспериментальном одноцилиндровом двигателе с раздельными системами охлаждения для головки блока цилиндра и для цилиндра проводились опыты по измерению количества теплоты, отводимой в эти системы. Измерялось также количество теплоты, отводимой охлаждением в течение отдельных фаз рабочего цикла.
Время сгорания очень мало, но за этот период давление газов значительно возрастает, а температура достигает 2300—2500 °C. При сгорании в цилиндре интенсивно протекают процессы перемещения газов? • способствую-
145
щие теплоотдаче в стенки цилиндра. Теплоту, сэкономленную в этой фазе рабочего цикла, можно преобразовать в полезную работу в течение последующего хода расширения. При сгорании около 6 % тепловой энергии, содержащейся в топливе, теряется из-за теплопередачи стенкам камеры сгорания и цилиндра.
В течение хода расширения стенкам Цилиндра передается около 7 % тепловой энергии топлива. При расширении поршень перемещается из ВМТ в НМТ и постепенно освобождает все большую поверхность стенок цилиндра. Однако лишь около 20 % теплоты, сэкономленной даже •при продолжительном по времени ходе расширения, можно преобразовать в полезную работу.
Около половины теплоты,'отводимой в систему охлаждения, приходится на такт выпуска. Отработавшие газы выходят из цилиндра с большой скоростью и имеют высокую температуру; часть их теплоты отводится в систему охлаждения через выпускной клапан и выпускной канал головки цилиндра. Непосредственно за клапаном поток газов изменяет направление почти на 90°, при этсм возникают вихри, что интенсифицирует теплоотдачу в стенки выпускного канала.
Отработавшие газы необходимо отводить из головки цилиндра кратчайшим путем, так как переданная ей их теплота заметно нагружает систему охлаждения и для ее отвода в окружающий воздух требуется использование части эффективной мощности двигателя. В период выпуска газов в систему, охлаждения отводится около 15 % теплоты, содержащейся в топливе. Тепловой баланс бензинового двигателя приведен в табл. 8.'
8. Тепловой баланс бензинового двигателя '
Составляющие теплового баланса
Доля в балансе %
Теплота, преобразованная в полезную работу Теплота, отведенная в систему охлаждения: в фазе сгорания прн ходе расширении при ходе выпуска
6
7
15
32
t
общая
Теплота, отведенная с отработавшими газами и излучением
28
28
40
Итого
100
Тепловой баланс дизеля
8
6
9
23
23
2
30
100
Доля, %Доля, %4545Составляющие теплового баланса
Доля, %
Доля, %
45
45
Теплота, преобразованная в полезную работу
Теплота, отведенная в систему охлаждения:
в фазе сгорания
при ходе расширения
прн ходе выпуска
общая
Теплота, возникающая при треннн поршня
Теплота, отведенная с отработавшими газами и излучением
Итого
У дизельного двигателя условия отвода теплоты другие. Вследствие более высокой степени сжатия температура газов на выходе из цилиндра гораздо ниже. По этой причине количество теплоты, отведенное во время хода выпуска, меньше и составляет в ряде случаев около 25 % всей теплоты, отданной в систему охлаждения.
Давление и температура газов при сгорании в дизеле выше, чем у бензинового двигателя. Совместно с большими скоростями вращения газов в цилиндре эти факторы способствуют увеличению количества теплоты, передаваемой стенкам камеры сгорания. В процессе сгорания эта величина составляет около 9 %, а при ходе расширения — 6 %. За время хода выпуска в систему охлаждения отводится 9 % энергии, содержащейся в топливе. Тепловой баланс дизеля приведен в табл. 9.
Теплота,, возникающая при трении поршня о стенки цилиндра у бензинового.двигателя, составляет около 1,5 %, а у дизеля — около 2 % от ее общего количества. Эта теплота также отводится в систему охлаждения. Следует учесть, что приведенные примеры представляют результаты измерений, выполненных на исследовательских одноцилиндровых двигателях, и не характеризуют автомобильные двигатели, а служат лишь для демонстрации различий в тепловых балансах бензинового двигателя и дизеля.
ТЕПЛОТА, ■ - ОТВОДИМАЯ В СИСТЕМУ ОХЛАЖДЕНИЯ
Системой охлаждения отводится около 33 % тепловой энергии, содержащейся в используемом топливе. Уже на заре развития двигателей внутреннего сгорания начались поиски путей преобразования хотя бы части теплоты, отводимой в систему охлаждения, в эффективную мощность двигателя. В то время широко и достаточно эффективно применялся паровой двигатель с теплоизолированным цилиндром и поэтому, естественно, стремились применить этот метод теплоизоляции и для двигателя внутреннего сгорания. Опыты в этом направлении проводили крупные специалисты, такие, например, как Р. Дизель. Однако в ходе опытов выявились значительные проблемы.
В применяемом в двигателях внутреннего сгорания кривошипном механизме давление газов на поршень и сила инерции поступательно-движущихся масс прижимают поршень к стенке цилиндра, что при высокой скорости поршня требует обеспечения хорошего смазывания этой трущейся пары. Температура масла при этом не должна превышать допустимых границ, что ограничивает в свою очередь температуру стенки цилиндра. Для современных моторных масел температура стенки цилиндра не должна быть выше 220 °C, в то время как температура газов в цилиндре при сгорании и ходе расширения на порядок выше, и цилиндр по этой причине необходимо охлаждать.
Другая проблема связана с поддержанием нормальной температуры выпускного клапана. Прочность стали при высокой температуре падает. При использовании специальных сталей в качестве материала выпускного клапана его максимально допустимая температура может быть доведена до 900 °C.
Температура газов в цилиндре при сгорании достигает 2500—2800 °C. Если бы теплота, передаваемая стенкам камеры сгорания и цилиндра, не отводилась, то их температура превысила бы допустимые значения для материалов, из которых изготовлены эти детали. Теплота, отводимая охлаждением через стенки камеры сгорания,1 рассчитывается по формуле
Q = ЗД/та,
где 3 — площадь охлаждаемой поверхности, м2; М— перепад температур между стенкой камеры сгорания и
газом, °C; а — коэффициент теплоотдачи, Дж/мгл-град.; т — время, с.
Установить значение а — коэффициента теплоотдачи от т;азов к стенкам достаточно сложно, поскольку он в значительной мере зависит от скорости газа около стенки. В камере сгорания определить эту скорость практически невозможно, так как она меняется в течение всего рабочего цикла. Точно так же сложно определить перепад температур между стенкой цилиндра и воздухом. При впуске и в начале сжатия воздух холоднее, чем стенки цилиндра и камеры сгорания, и поэтому теплота передается от стенки воздуху. Начиная с некоторого положения поршня при такте сжатия, температура воздуха становится выше температур стенок, и тепловой поток изменяет направление, т. е. теплота передается от воздуха стенкам цилиндра. Расчет теплопередачи при таких условиях представляет собой задачу большой сложности.
Резкие изменения температуры газов в камере сгорания оказывают влияние и на температуру стенок, которая на поверхности стенок и глубине менее 1,5—2 мм колеблется в течение одного цикла, а глубже — устанавливается на некотором среднем значении. При расчетах теплопередачи именно это среднее значение температуры нужно принимать для наружной поверхности стенки цилиндра, с которой теплота передается охлаждающей жидкости.
Поверхность камеры сгорания включает в себя не только принудительно охлаждаемые детали, но и днище поршня, тарелки клапанов. Теплоотдача в стенки камеры сгорания тормозится слоем нагара, а в стенки цилиндра — масляной пленкой. Головки клапанов должны быть плоскими, чтобы под воздействием горячих газов находилась минимальная площадь. При открывании впускной клапан охлаждается потоком входящего заряда, тогда как выпускной клапан в процессе работы сильно нагревается отработавшими газами. Стержень этого клапана защищен от воздействия горячих газов длинной направляющей, доходящей почти до его тарелки.
Как уже отмечалось, максимальная температура выпускного клапана ограничена температурной прочностью материала, из которого он изготовлен. Теплота от клапана отводится главным образом через его седло к охлаждаемой головке цилиндра и отчасти через направляющую, которую также необходимо охлаждать. У выпускных кла-
панов, работающих в тяжелых температурных условиях; стержень делается полым и частично заполняется натрием. Когда клапан нагрет, натрий находится в жидком состоянии, и поскольку он не заполняет всю полость стержня; то при движении клапана интенсивно перемещается в ней; отводя тем самым теплоту от тарелки клапана к его направляющей и далее — в охлаждающую среду.
Тарелка выпускного клапана имеет наименьший перепад температур с газами в камере'сгорания и поэтому при сгорании ему передается относительно небольшое количество теплоты. Однако при открывании выпускного клапана теплопередача от потока отработавших газов к тарелке клапана весьма велика, что и определяет его температуру.
АДИАБАТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
У адиабатного двигателя цилиндр и его головка не охлаждаются, поэтому потери теплоты за счет охлаждения отсутствуют. Сжатие и расширение в цилиндре происходят без теплообмена со стенками, т. е. адиабатически, аналогично циклу Карно. Практическая реализация такого двигателя связана со следующими трудностями.
Для того чтобы тепловые потоки между газами и стенками цилиндра отсутствовали, необходимо равенство в каждый момент времени температуры стенок температуре газов. Такое быстрое изменение температуры стенок в течение цикла- практически невозможно. Можно, было бы реализовать близкий к адиабатному цикл, если обеспечить температуру стенок на протяжении цикла в пределах 700—1200 °C. Материал стенок при этом должен сохранять работоспособность в условиях такой температуры, и, кроме того, необходима теплоизоляция стенок для устранения отвода от них тепла.
Обеспечить такую среднюю температуру стенок цилиндра можно лишь в его верхней части, которая не находится в соприкосновении с головкой поршня и его кольцами и, следовательно, не требует смазки. При этом, однако, невозможно обеспечить, чтобы горячие газы не омывали смазываемую часть стенок цилиндра при движении поршня к НМТ. В то же время можно предположить создание цилиндра и поршня, не нуждающихся в смазке.
Дальнейшие трудности связаны с клапанами. ВпускУ ной клапан частично охлаждается поступающим при 150
впуске воздухом. Это охлаждение происходит за счет повышения температуры воздуха и, в конечном итоге, при-
* водит к потере части эффективной мощности и КПД двигателя. Теплопередача к клапану при сгорании может быть значительно уменьшена теплоизоляцией тарелки клапана.
У выпускного клапана температурные условия работы значительно тяжелее. Горячие газы, выходящие из цилиндра, имеют в месте перехода тарелки клапана в стержень высокую скорость и сильно нагревают клапан. Поэтому ■ для получения эффекта адиабатности требуется теплоизоляция не только тарелки клапана, но и его стержня, отвод теплоты от которых осуществляется охлаждением его седла и направляющей. Кроме того, весь выпускной канал в головке цилиндров должен быть теплоизолирован с тем, чтобы через его стенки головке не передавалась теплота отработавших газов, выходящих из цилиндра.
Как уже упоминалось, при ходе сжатия сначала от горячих стенок цилиндра нагревается относительно холодный воздух. Далее в процессе сжатия температура воздуха повышается, направление теплового потока меняется на противоположное, и теплота от нагретых газов передается стенкам цилиндра. В конце адиабатного сжатия достигается большее в сравнении со сжатием в обычном двигателе значение температуры газа, но на это расходуется больше энергии.
Меньше энергии затрачивается, когда воздух при сжатии охлаждается, поскольку для сжатия меньшего вследствие охлаждения объема воздуха необходимо меньшее количество работы. Таким образом, охлаждение цилиндра при сжатии улучшает механический КПД двигателя. При ходе расширения, напротив, целесообразно теплоизолировать цилиндр или подводить теплоту к заряду в начале этого такта. Два указанных условия являются взаимоисключающими и реализовать их одновременно невозможно.
Охлаждение воздуха при сжатии можно осуществить в двигателях внутреннего сгорания с наддувом, подавая воздух после его сжатия в компрессоре в радиатор промежуточного охлаждения.
Подвод теплоты к воздуху от стенок цилиндра в начале расширения возможен в ограниченной степени. Температуры стенок камеры сгорания адиабатного двигателя
весьма высоки, что вызывает нагрев воздуха,. поступающего в цилиндр. Коэффициент наполнения, и, следовательно, мощность такого двигателя будут ниже, чем у двигателя с принудительным охлаждением. Этот недостаток устраним с помощью турбонаддува, использующего энергию отработавших газет; часть этой энергии можно передавать непосредственно на. коленчатый вал двигателя через силовую турбину (турбокомпаундный двигатель).
Горячие стенки камеры сгорания адиабатного двигателя обеспечивают воспламенение .на них топлива, что предопределяет использование в таком двигателе дизельного рабочего процесса.
При совершенной теплоизоляции камеры сгорания и цилиндра температура стенок увеличивалась бы до. достижения на глубине около 1,5 мм от поверхности средней температуры цикла, т. е. составила бы 800—1200 °C. Такие температурные условия обусловливают высокие требования к материалам цилиндра и деталей, образующих камеру сгорания, которые должны быть жаропрочными и обладать теплоизоляционными свойствами.
Цилиндр двигателя, как уже отмечалось, должен смазываться. Обычные масла употребимы до температуры 220 °C, при превышении которой возникает опасность пригорания и потери упругости поршневых колец. Если головка цилиндра изготовлена из алюминиевого сплава, то прочность такой головки быстро уменьшается уже при достижении температуры 250—300 °C. Допустимая температура разогрева выпускного клапана составляет 900—1000 °C. Этими значениями максимально допустимых температур необходим® руководствоваться при создании адиабатного двигателя.
Наибольшие успехи в развитии адиабатных двигателей достигнуты фирмой «Камминс» (США) [121. Схема адиабатного двигателя, разработанного этой фирмой, изображена на рис. 75, где показаны теплоизолированные цилиндр^ поршень и выпускной канал головки цилиндра. Температура отработавших газов в теплоизолированной выпускной трубе составляет 816 °C. Присоединенная к выпускной трубе турбина соединена с коленчатым валом через двухступенчатый редуктор, снабженный гасителем крутильных колебаний.
Опытный образец адиабатного двигателя был создан на базе шестицилиндрового дизеля типа NH. Схематиче- 152 ,
Рис.- 75. Схема .адиабатного двигателяРис.- 75. Схема .адиабатного двигателяРис. 76. Поперечный разрез адиабатного дизеля «Камминс»:Рис. 76. Поперечный разрез адиабатного дизеля «Камминс»:
Рис.- 75. Схема .адиабатного двигателя
Рис.- 75. Схема .адиабатного двигателя
Рис. 76. Поперечный разрез адиабатного дизеля «Камминс»:
Рис. 76. Поперечный разрез адиабатного дизеля «Камминс»:
— блок цилиндров; 2 — составной поршень; 3 — гильза цилиндра; 4 — теплоизолирующая прокладка блока цилиндров; 5 — вставка между головкой и блоком цилиндров; 6 — теплоизолирующая прокладка головки цилиндров;
— теплоизолирующая шайба камеры сгорания; Я — ннжиее уплотнение теплоизолирующей шайбы; 9 — седло выпускного клапана; 10 — керамическая изоляция выпускной трубы; 11 — выпускной клапан; 12 — насос-фор- сувка; 13 — теплоизолирующий стакан иасос-форсунки; 14 — седло впускного клапана
ский поперечный разрез этого двигателя показан на рис. 76, а его параметры приведены ниже:
Число цилиндров6
Диаметр цилиндра, мм '139,7
Ход поршня, мм152,4
Частота вращения, мин -11900
Максимальное давление в цилиндре, МПа 13
Тип смазочного материала Масло
Среднее эффективное давление, МПа 1,3
Массовое отношение воздух/топливо 27 : 1
Температура входящего воздуха, °C . .60
Ожидаемые результатыМощность, кВт373
Частота вращения, мин-1 1900
Эмиссия NOX + СНХ6,7
Удельный расход топлива, г/(кВт-ч) 170
Срок службы, ч 250
Рис. 77. Составной поршень адиабатного дизеля:Рис. 77. Составной поршень адиабатного дизеля:/ — керамическое днище; 2 — основание поршня; 3 — болт; 4 — шайба; 5 — тарельчатая пружина; 6 — теплоизолирующий пакет прокладок/ — керамическое днище; 2 — основание поршня; 3 — болт; 4 — шайба; 5 — тарельчатая пружина; 6 — теплоизолирующий пакет прокладокВ конструкции двигателя широко использованы стекло- керамические материалы, обладающие высокойжаропроч- 6 ностью. Однако до настоящего времени обеспечить высокое качество и длитёль- 4 ный срок службы деталей из этих материалов не уда- 5 лось.
Рис. 77. Составной поршень адиабатного дизеля:
Рис. 77. Составной поршень адиабатного дизеля:
/ — керамическое днище; 2 — основание поршня; 3 — болт; 4 — шайба; 5 — тарельчатая пружина; 6 — теплоизолирующий пакет прокладок
/ — керамическое днище; 2 — основание поршня; 3 — болт; 4 — шайба; 5 — тарельчатая пружина; 6 — теплоизолирующий пакет прокладок
Большое внимание бЫЛр уделено созданию составного , поршня [13], показанного на рис. 77. Керамическая головка поршня 1 соединена с его основанием 2 специальным болтом 3 с шайбой 4. Максимальная температура в середине головки достигает 930 °C. От основания го
ловка теплоизолирована пакетом тонких стальных прокладок 6 с сильно неровной и шероховатой поверхностью. Каждый слой пакета из-за малой поверхности контакта обладает большим тепловым сопротивлением. Тепловое расширение болта компенсируется с помощью тарельчатых пружин 5.
ОТВОД ТЕПЛОТЫ В ВОЗДУХ И ЕГО РЕГУЛИРОВАНИЕ
Отвод теплоты системой охлаждения вызывает не только потери тепловой энергии," которая могла бы быть реализована в работу, но также и прямые потери части эффективной мощности двигателя, вследствие привода вентилятора и водяного насоса. Отвод теплоты с охлажда< ■ мой поверхности S в воздушную среду зависит от nep> - пада температур между этой поверхностью и воздухом A t, а также от коэффициента теплоотдачи охлаждающей поверхности в воздух а. Этот коэффициент не меняется сколько-нибудь значительно независимо от того, образована ли охлаждающая поверхность пластинами радиатора системы жидкостного охлаждения или ребрами деталей двигателя воздушного охлаждения. Прежде всего рассмотрим двигатели с системами жидкостного охлаждения.
Количество охлаждающего воздуха тем меньше, чем больше теплоты отводится в единицу его объема, т. е. чем больше будет нагреваться охлаждающий воздух. Эго требует равномерного распределения воздуха по всей охлаждающей поверхности и максимального перепада температур между, ней и воздухом. В радиаторе системы жидкостного охлаждения создаются условия, при которых охлаждаемая поверхность имеет почти равномерное поле температур, а температура охлаждающего воздуха по мере движения его через радиатор постепенно, повы- дцается, достигая максимального значения на выходе из него. Перепад температур между .воздухом и охлаждаемой поверхностью постепенно. уменьшается. Иа первый взгляд кажется, что предпочтителен глубокий радиатор, поскольку в нем воздух нагревается больше, однако следует рассмотреть этот вопрос с энергетической позиции.■„
Коэффициент теплоотдачи поверхности а представляет собой сложную зависимость от ряда факторов, однако наибольшее влияние на его величину оказывает скорость потока воздуха около охлаждающей поверхности. Связь между- ними можно представить , соотношением а ~
уО.6—0,7,,
При увеличении скорости воздуха на 10%, отвод теплоты увеличивается лишь на 7 %. Скорость потока воздуха пропорциональна его расходу -через радиатор. Если конструкция радиатора не меняется, то для; увеличения количества отводимого тепла на 7 % следует увеличить частоту вращения вентилятора на 10 %, поскольку подаваемое вентилятором количество воздуха прямо зависит от нее. Давление воздуха при постоянной площади сечения вентилятора зависит от, второй степени его- частоты вращения, а мощность привода вентилятора пропорциональна ее третьей стецени. Таким образом, при увеличении частоты вращения вентилятора на 10 % мощность привода увеличивается на 33 %, что имеет отрицательные последствия, проявляющиеся в ухудшении механического КПД двигателя.
Зависимость количества охлаждающего воздуха от количества отводимой теплоты, а также от увеличения давления воздуха и мощности привода вентилятора показана на рис. 78. С позиции уменьшения затрат энергии эта номограмма очень полезна. Если лобовую поверхность радиатора увеличить на 7 %, то пропорционально ?5?
10
Рис. 78. Зависимость относительных величин отводимой теплоты Q, напора h и мощности привода Мо вентилятора от относительного расхода воздуха Рг.
увеличиваются площади проходного сечения и охлаждающей поверхности радиатора, и, следовательно, количество охлаждающего воздуха достаточно увеличить на те же 7 %, чтобы отвести на 7 % больше теплоты, т. е. как и в описанном выше примере. При этом мощность вентилятора повышается лишь на 22,5 % вместо 33 %. Если расход воздуха через вентилятор У, увеличить на 20 % (точка и стрелки 1 на рис. 78), то количество отведенной теплоты Q, пропорциональное Vz1', возрастет на 11,5 % Изменение расхода воздуха увеличением частоты вращения вентилятора на те же 20 % приводит к увеличению давления воздушного потока на 44 %, а мощность привода вентилятора — на 72,8 %. Для увеличения теплоотвода 156
на 20 % тем же путем следует- увеличить расход воздуха на 35,5 % (точка и пунктирные стрелки 2 на рис. 78), что влечет за собой рост давления воздуха на 84 %, а мощность привода вентилятора — почти в 2,5 раза (на 149 %). Поэтому выгоднее увеличить лобовую поверхность радиатора, чем при тех же радиаторе и вентиляторе увеличивать частоту вращения последнего.
Если радиатор разделить по его глубине на две равные части, то в перёдйей перепад температур A/j будет больше, чем в задней АЛ, и, следовательно, передняя часть радиатора будет охлаждаться воздухом сильнее. Два радиатора, получаемые при разделении одного на две части, по глубине будут . иметь меньшие сопротивления потоку охлаждающего воздуха. Поэтому слишком глубокий радиатор невыгоден для применения.
Радиатор должен быть изготовлен из материала с хорошей теплопроводностью и его сопротивления потокам воздуха и жидкости должны быть небольшими. Масса радиатора и объем находящейся в нем жидкости должны быть также невелики, так как это важно для быстрого прогрева двигателя и включения системы отопления в автомобиле. Для современных легковых автомобилей с низкой передней частью кузова требуются радиаторы небольшой высоты.
Для минимизации энергетических затрат важно достичь высокого КПД вентилятора, для чего используется направляющий воздуховод, имеющий небольшой зазор по наружному диаметру крыльчатки вентилятора. Крыльчатка вентилятора часто делается из пластмассы, что гарантирует точную форму профиля лопаток, их гладкую поверхность и малую шумность. При высоких частотах вращения такие лопатки деформируются, снижая тем самым расход воздуха, что весьма целесообразно.
Высокая температура радиатора повышает его КПД. Поэтому в настоящее время применяют герметизированные радиаторы, избыточное давление в которых повышает температуру кипения охлаждающей жидкости и, следовательно, температуру всей матрицы радиатора, который может быть меньших размеров и более легким.
Для двигателя воздушного охлаждения действуют те же закономерности, что и для двигателя жидкостного охлаждения. Разница состоит в том, что ребра деталей двигателя воздушного охлаждения имеют более высокую температуру, чем матрица радиатора, поэтому на отвод
Эффективность охлаждения двигатели системами жидкостного и воздушного охлаждении в зависимости от внешней температуры;
Вид охлаждения, • С
Жидкостная
Воздушная
Температура охлаждающей поверхности
ПО
18b
Температура охлаждающего воздуха
0
О
Разница температур
НО
180
Температура охлаждающего воздуха
50
50
Разница температур
60
. 130
Ухудшение режима при температуре 50 °C по сравнению с 0 °C, %
45,5
27;5-у
■"Л
такого же количества теплоты при воздушном охлаждении требуется меньшее количество охлаждающего воздуха. Это преимущество имеет большое значение при эксплуатации автомобилей в условиях жаркого климата. В табл. 10 приведены режимы работы двигателей жидкостного и воздушного охлаждения при изменении температуры окружающего воздуха от 0 до 50 °C. Для двигателя жидкостного охлаждения степень охлаждения уменьшается на 45,5 %, тогда как у двигателя воздушного охлаждения в тех же условиях — только на 27,8 %. Для двигателя жидкостного охлаждения это означает более громоздкую и более энергоемкую систему охлаждения. Для двигателя воздушного охлаждения достаточна небольшая переделка вентилятора.
Регулирование охлаждения дает большую экономию энергии. Охлаждение можно отрегулировать так, чтобы оно было удовлетворительным при максимальной нагрузке двигателя и при максимальной температуре воздуха. Но при более низкой температуре окружающей среды и частичной.нагрузке двигателя такое охлаждение, естественно, является избыточным и для снижения износа и механического КПД двигателя необходимо вновь отрегулировать охлаждение. У двигателей жидкостного охлаждении это обычно делают дросселированием потока жидкости через радиатор. В этом случае потребляемая мощность вентилятора не изменяется, и с энергетической точки зрения такое регулирование не приносит никакой выгоды. Например, для охлаждения двигателя мощностью 50 кВт при температуре 30 °C расходуется 2,5 кВт, а при температуре 0 °C и нагрузке двигателя 50 % от полной потребовалось бы лишь 0,23 кВт. При условии, что тре-
буёмое количество охлаждающего воздуха пропорционально перепаду температур между поверхностью радиатора и воздухом, при 50 %-ной нагрузке двигателя для его охлаждения достаточно: также половины расхода воздуха, регулируемого частотой вращения вентилятора. Экономия энергии и, следовательно, расхода топлива при таком регулировании может быть, достаточно значительной.
Поэтому регулированию охлаждения в настоящее время уделяется особое внимание. Наиболее удобное регулирование — изменение частоты вращения вентилятора, но для его осуществления необходимо иметь регулируемый привод. - '
Отключение привода вентилятора преследует ту же цель, что и изменение его частоты вращения. Для этого удобно применять электромагнитную муфту, включаемую термостатом в зависимости от температуры жидкости ( или головки цилиндра). Если муфта включается термостатом, то регулирование осуществляется не только в зависимости от температуры окружающей среды, но и от нагрузки двигателя, что весьма эффективно.
Выключение вентилятора при помощи вязкостной муфты производится несколькими способами. В качестве, примера рассмотрим вязкостную муфту фирмы «Холсет» (США). . ,, •
При наиболее простом способе используется^-ограниче- ние передаваемого момента. Поскольку с ростом частоты вращения момент, необходимый для вращения, вентилятора, увеличивается, то увеличивается «также и пробук-, совка вязкостной муфты, и при некотором значении потребляемой мощности вентилятора его частота вращения уже более не повышается (рис. 79). Частота вращения вентилятора с нерегулируемым клиноременным приводом от коленчатого вала двигателя увеличивается пропорционально частоте вращения двигателя (кривая Б), тогда как в случае привода вентилятора через вязкостную муфту его частота вращения растет лишь до величины h, = = 2500 мин-1 (кривая А). Мощность, потребляемая вентилятором с нерегулируемым приводом, растет пропорционально третьей степени частоты вращения и на режиме макси^льной мощности составляет 8,8 кВт. У вентилятора, приводимого через вязкостную муфту, частота вращения увеличивается, как отмечено, до 2500 мин-1, и требуемая на режиме мощность вентилятора составляет
Рис. 79. Изменение частоты вращения и мощности, потребляемой вентилятором при использовании вязкостной муфты:
Пд — частота вращения двигателя; л& — частота вращения вентилятора; Nd— мощность, потребляемая ’вентилятором; Д — привод вентилятора через вязкостную муфту; Б — нерегулируемый клиноременный привод вентилятора
2 кВт. Поскольку в вязкостной муфте при 50 %-ной пробуксовке в теплоту дополнительно рассеивается еще 1 кВт, то общая экономия энергии на приводе вентилятора составляет 5,8 кВт, однако и это снижает расход топлива. Такое регулирование охлаждения можно считать удовлетворительным, так как расход воздуха не растет прямо пропорционально частоте вращения двигателя и, кроме того, с повышением скорости движения сохраняется рост скоростного напора воздуха, содействующего охлаждению двигателя.
Другой тип вязкостной муфты фирмы «Холсет» обеспечивает регулирование теплового режима двигателя дополнительно и от температуры окружающего воздуха (рис. 80). От ранее рассмотренной эта муфта отличается тем, что объем жидкости в ней, передающий крутящий момент, зависит от внешней температуры Картер муфты разделен перегородкой 5 (см. рис. 81) на камеру ведущего диска 1 и камеру резервного объема 2, соединенные между собой клапаном 3. Клапан управляется биметаллическим термостатом 4 в зависимости от температуры воздуха. Черпачок 6, прижатый к диску пружиной, служит для сброса жидкости с диска и ускорения перетекания ее из камеры диска в объем 2. Часть жидкости постоянно находится в камере ведущего диска и способна передавать вентилятору небольшой крутящий момент. При температуре воздуха 40 °C, например, максимальная частота вращения вентилятора составляет 1300 мин-1, а потребляемо
Рис. 80. Изменение частоты вращения и мощности, потребляемой вентилятором, в зависимости от внешней температуры воздуха при использовании вязкостной муфты «Холсет Т 60» с биметаллическим термостатом:п^ _ частота вращения двигателя; пу — частота вращения вентилятора; Дх — привод вентилятора через вязкостную муфту при холодном двигателе; Д2 — привод вентилятора через вязкостную муфту при прогретом двигателе; Б — нерегулируемый клиноременный привод вентилятораРис. 80. Изменение частоты вращения и мощности, потребляемой вентилятором, в зависимости от внешней температуры воздуха при использовании вязкостной муфты «Холсет Т 60» с биметаллическим термостатом:п^ _ частота вращения двигателя; пу — частота вращения вентилятора; Дх — привод вентилятора через вязкостную муфту при холодном двигателе; Д2 — привод вентилятора через вязкостную муфту при прогретом двигателе; Б — нерегулируемый клиноременный привод вентилятора
Рис. 80. Изменение частоты вращения и мощности, потребляемой вентилятором, в зависимости от внешней температуры воздуха при использовании вязкостной муфты «Холсет Т 60» с биметаллическим термостатом:
п^ _ частота вращения двигателя; пу — частота вращения вентилятора; Дх — привод вентилятора через вязкостную муфту при холодном двигателе; Д2 — привод вентилятора через вязкостную муфту при прогретом двигателе; Б — нерегулируемый клиноременный привод вентилятора
Рис. 80. Изменение частоты вращения и мощности, потребляемой вентилятором, в зависимости от внешней температуры воздуха при использовании вязкостной муфты «Холсет Т 60» с биметаллическим термостатом:
п^ _ частота вращения двигателя; пу — частота вращения вентилятора; Дх — привод вентилятора через вязкостную муфту при холодном двигателе; Д2 — привод вентилятора через вязкостную муфту при прогретом двигателе; Б — нерегулируемый клиноременный привод вентилятора
мая мощность — не более 0,7 кВт. При нагревании двигателя биметаллический термостат открывает клапан, и часть жидкости поступает в камеру ведущего диска. По мере роста проходного сечения клапана поступающее в камеру диска количество жидкости увеличивается и при полном открытии клапана уровень её в обеих половинах одинаков. Изменение передаваемого при этом крутя-
Рис. 81. Схема работы вязкостной муфты «Холсет Т 60» с биметаллическим термостатом:j _ ведущий диск; 2 — камера резервного объема; 3 — клапан; 4 — термостат; 5 — перегородка; 6 —- черпачокРис. 81. Схема работы вязкостной муфты «Холсет Т 60» с биметаллическим термостатом:j _ ведущий диск; 2 — камера резервного объема; 3 — клапан; 4 — термостат; 5 — перегородка; 6 —- черпачок
Рис. 81. Схема работы вязкостной муфты «Холсет Т 60» с биметаллическим термостатом:
j _ ведущий диск; 2 — камера резервного объема; 3 — клапан; 4 — термостат; 5 — перегородка; 6 —- черпачок
Рис. 81. Схема работы вязкостной муфты «Холсет Т 60» с биметаллическим термостатом:
j _ ведущий диск; 2 — камера резервного объема; 3 — клапан; 4 — термостат; 5 — перегородка; 6 —- черпачок
161161
161
161
6 Мацкерле Ю.
щего момента и частоты вращения вентилятора показано кривыми Ла (см. рис. 80).
В этом случае максимальная частота вращения вентилятора составляет 3200 мин-1, а потребляемая мощность увеличивается до 3,8 кВт. Максимальное открытие клапана соответствует температуре окружающего воздуха, равной 65 °C. Описанным регулированием охлаждения двигателя можно снизить расход топлива в легковых автомобилях на 1 л/100 км.
Мощные двигатели имеют еще более совершенные системы регулирования охлаждения. У дизелей «Татра» привод вентилятора осуществляется через гидромуфту, объем масла в которой регулируется термостатом в зависимости от температур отработавших газов и окружающего воздуха. Показания датчика температуры в выпускном трубопроводе зависят в основном от нагрузки двигателя и, в меньшей степени, от его частоты вращения. Запаздывание этого датчика очень невелико, поэтому регулирование охлаждения с его помощью более совершенно.
Регулирование охлаждения частотой вращения вентилятора относительно легко осуществляется в двигателе внутреннего сгорания любого типа; при этом уменьшается общий шум, издаваемый автомобилем.
При переднем расположении двигателя поперек автомобиля механический привод вентилятора вызывает некоторые трудности и поэтому чаще применяют электропривод вентилятора. В этом случае регулирование охлаждения весьма упрощается. Вентилятор с электроприводом не должен иметь большой потребляемой мощности, поэтому стремятся использовать эффект охлаждения скоростным напором воздуха при движении автомобиля, поскольку с увеличением нагрузки двигателя скорость легкового автомобиля и, следовательно, скоростной напор обтекающего его воздуха растут. Электропривод вентилятора работает только в течение короткого времени при преодолении затяжных подъемов или же при высокой температуре окружающего воздуха. Расход охлаждающего воздуха через вентилятор регулируется включением электродвигателя с помощью термостата.
Если радиатор расположен далеко от двигателя, например в автобусе с задним расположением двигателя, то вентилятор обычно имеет гидрообъемный привод. Приводимый двигателем автобуса гидронасос подает масло
под давлением в поршневой гидродвигатель с качающейся шайбой. Такой привод более сложен и его применение целесообразно в двигателях большой мощности.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ, УНОСИМОЙ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ
Отработавшие газы двигателя содержат значительное количество тепловой энергии. Ее можно использовать, например, для отопления автомобиля. Подогрев воздуха отработавшими газами в газовоздушном теплообменнике системы отопления опасен из-за возможности прогорания или негерметичности его трубок. Поэтому для переноса теплоты используют масло или другую незамерзающую жидкость, нагреваемую отработавшими газами.
Еще целесообразнее использовать отработавшие газы для привода вентилятора системы охлаждения. При больших нагрузках двигателя отработавшие газы имеют наиболее высокую температуру, а двигатель нуждается в интенсивном охлаждении. Поэтому использование турбины, работающей на отработавших газах для привода вентилятора системы охлаждения, весьма целесообразно и в настоящее время начинает находить применение. Такой привод может автоматически регулировать охлаждение, хотя это достаточно дорого.
Более приемлемым с точки зрения стоимости можно считать эжекционное охлаждение. Отработавшие газы отсасывают из эжектора охлаждающий воздух, который смешивается с ними и отводится в атмосферу. Такое устройство дешево и надежно, так как не имеет никаких движущихся деталей. Пример эжекционной системы охлаждения показан на рис. 82.
Эжекционное охлаждение было с успехом применено в гоночных автомобилях «Татра» и в некоторых специали-
Рис. 82. Схема эжекторного охлаждения 6*
зированны'х автомобилях. Недостатком системы является высокий уровень шума, так как отработавшие газы необходимо.непосредственно подводить в эжектор, а распложение глушителя шума за ним вызывает трудности'.
Основным способом использования энергии отработавших газов служит их расширение в турбине, которая наиболее часто используется для привода центробежного компрессора наддува двигателя. Ее можно использовать также и для других целей, например, для упомянутого привода вентилятора; в турбокомпаундных двигателях она непосредственно соединяется с коленчатым валсм двигателя.
В двигателях, использующих в качестве топлива водород, теплоту отработавших газов, а также отведенную в систему охлаждения можно использовать для нагревания гидридов, извлекая тем самым содержащийся в них водород. При таком способе эта теплота аккумулируется в гидридах, и при новой заправке гидридных баков водородом она может быть использована в различных целях для нагревания воды, отопления зданий и т. д. Этот способ использования энергии, теряемой при отводе теплоты в окружающую атмосферу, будет рассмотрен далее в гл. 19.
Энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.
Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и 164
Рис. 83. Внешняя скоростная характеристика двигателя- гоночного автомобиля «Порше:. (ФРГ)Рис. 83. Внешняя скоростная характеристика двигателя- гоночного автомобиля «Порше:. (ФРГ)
Рис. 83. Внешняя скоростная характеристика двигателя- гоночного автомобиля «Порше:. (ФРГ)
Рис. 83. Внешняя скоростная характеристика двигателя- гоночного автомобиля «Порше:. (ФРГ)
очистки цилиндров условия режима работы. На кривых мощности двигателя Ne и его среднего эффективного давления ре это проявляется в виде «горбов», что хорошо видно на рис. 83, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы «Порше». Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе его закрывания, способствует продувке и очистке
камеры сгорания.
Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы — равномерным с тем, чтобы выпуск 'отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра — в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются и организуется их общий ввод в глушитель.
ТУРБОНАДДУВ ДВИГАТЕЛЯ
При турбонаддуве энергия отработавших газов используется в турбине, приводящей центробежный компрессор для подачи воздуха в двигатель. Большая масса воздуха, поступающая в двигатель под давлением из компрессора, способствует повышению удельной мощности двигателя и снижанию его удельного расхода топлива. Двухступенчатые сжатие воздуха и расширение отработавших газов, осуществляемые в двигателе с турбонаддувом, позволяют получить высокий индикаторный КПД двигателя.
Если для наддува применяют компрессор с механическим приводом от двигателя, то вследствие подачи большего количества воздуха возрастает лишь мощность двигателя. При сохранении такта расширения только в цилиндрах двигателя отработавшие газы выходят из него под высоким давлением, и если они в дальнейшем не используются, то это вызывает повышение удельного расхода топлива.
Степень наддува зависит от наз’начения двигателя. При более высоких давлениях наддува воздух в компрессоре сильно нагревается и на входе в двигатель его необходимо охлаждать. В настоящее время турбонаддув применяют в основном в дизелях, повышение мощности которых на 25—30 % не требует большого форсирования по давлению наддува, и охлаждение двигателя при этом не вызывает трудностей. Такой способ повышения мощности дизеля применяют чаще всего.
Увеличение количества поступающего в двигатель воздуха позволяет работать на бедных смесях, что снижает выход СО и СН„.. Так как мощность дизелей регулируется подачей топлива, а подаваемый воздух не дросселируется, то при частичных нагрузках используются очень бедные смеси, что способствует уменьшению удельного расхода топлива. Воспламенение бедной смеси в дизелях с наддувом не вызывает трудностей, так как оно происходит при высоких температурах воздуха. Продувка камеры сгорания подаваемым воздухом в дизелях допустима, поскольку в отличие от бензинового двигателя уноса топлива в выпускной трубопровод в них нет.
У дизеля с наддувом степень сжатия обычно несколько уменьшают с тем, чтобы ограничить максимальноедавление в цилиндре. Более высокие давления и температура воздуха в конце такта сжатия уменьшают задержку воспламенения, и жесткость работы двигателя становится меньше.
У дизелей с турбонаддувом определенные проблемы существуют при необходимости быстро увеличить мощность двигателя. Прн нажатии на педаль управления рост подачи воздуха вследствие инерции турбокомпрессора отстает от увеличения подачи топлива, поэтому вначале двигатель работает на обогащенной смеси с повышенной дымностью и лишь через некоторый промежуток времени состав смеси достигает требуемого значения. Длительность этого периода зависит от момента инерции ротора турбокомпрессора. Попытка свести инерцию ротора до минимума 166
Рис. 84. Турбокомпрессор для наддува двигателя
уменьшением диаметра рабочих колес турбины и компрессора влечет за собой необходимость увеличения частоты вращения турбокомпрессора до 100 000 мин-1. Такие турбокомпрессоры имеют небольшие размеры и массу, пример одного из них приведен на рис. 84. Чтобы получить высокие обороты турбокомпрессора, применяют турбины центростремительного типа. Теплопередача от корпуса турбины к корпусу компрессора должна быть минимальна, поэтому оба корпуса хорошо теплоизолируются друг от друга. В зависимости от числа цилиндров и схемы объединения их выпускных трубопроводов турбины имеют один или два входа для отработавших газов. Дизель с наддувом благодаря утилизации энергии отработавших газов дает возможность достичь очень низкого удельного расхода топлива. Напомним, что тепловые балансы двигателей внутреннего сгорания приведены в табл. 8 и 9.
Для легковых автомобилей недостатком дизельного двигателя является его большая масса. Поэтому создаваемые.новые дизели для легковых автомобилей базируются, в основном, на высокооборотных бензиновых двигателях, так как использование высоких частот вращения позволяет уменьшить массу дизеля до приемлемой величины.
Расход топлива у дизеля особенно при движении в городе на режимах частичных нагрузок заметно меньше. Дальнейшее развитие этих дизелей связано с турбонаддувом, в условиях которого содержание вредных углеродосодержащих компонентов в отработавших газах снижается, а его работа становится мягче. Увеличение NOX вследствие более высоких температур сгорания может быть уменьшено рециркуляцией отработавших газов. Стоимость дизельного двигателя выше, чем бензинового,- однако при недостатке нефти его применение более выгодно, так как из нефти может быть изготовлено больше дизельного топлива, чем высокооктанового бензина.
Турбонаддув бензиновых двигателей имеет некоторые особенности. Температура отработавших газов бензиновых двигателей выше, это предъявляет более высокие требования к материалу лопаток турбины, однако не является фактором, ограничивающим применение наддува. Воспламенение очень бедных смесей бензина с воздухом происходит с трудом, поэтому необходимо регулировать количество подаваемого воздуха, что особенно важно при высоких частотах вращения, когда компрессор подает большое количество воздуха. В отличие от дизеля, где регулирование мощности производится уменьшением подачи топлива, в бензиновом двигателе аналогичный метод неприменим, так как состав смеси был бы на этих режимах настолько бедным, что воспламенение не было бы гарантировано. Поэтому подача воздуха на режимах максимальной частоты вращения турбокомпрессора должна быть ограничена. Существует несколько способов такого ограничения. Наиболее часто используют перепуск отработавших газов через специальный канал мимо турбины, тем самым снижая частоту вращения турбокомпрессора и подаваемое им количество воздуха. Схема такого регулирования дана на рис. 85.
Отработавшие газы из двигателя поступают в выпускной трубопровод 10, а затем через турбину // в глушитель шума выпуска 12. При максимальной нагрузке и высокой частоте вращения двигателя давление во впускном канале 7, передаваемое через канал 15, открывает клапан перепуска 13, через который отработавшие газы по трубопроводу 14 поступают непосредственно в глушитель, минуя турбину. В турбину поступает меньшее количество отработавших газов, и подача воздуха компрессором 4 во впускной канал 6 уменьшается в 6—8 раз. (Конструк- 168
Рис. 85. Схема турбонаддува бензинового двигателя:
1 — воздушный фильтр; 2 — регулятор состава смеси; 3 — впускной трубопровод? 4 — компрессор; 5 — перепускной воздушный клапан; 6—7 — впускные каналы; 8 — патрубки впускного канала; 9 — топливная форсунка; 10 — выпускной трубопровод; 11 — турбина; 12 — глушитель шума выпуска? 13 — клапан перепуска отработавших газов; 14 — соединительный трубопровод глушителя; 15 — канал управляющего давления
123
Рий 86. Клапан перепуска отработавших газов:
1 — камера атмосферного давления; 2 «=■ мембрана; 3 — камера управляющего Давления
ция клапана перепуска отработавших газов показана на рис. 86.)
Рассмотренный способ регулирования подачи воздуха имеет тот недостаток, что снижение мощности двигателя при отпускании педали управления двигателем не происходит мгновенно и длится, кроме того, дольше, чем падает частота вращения турбины. При повторном нажатии на педаль требуемая мощность достигается с задержкой, частота вращения турбокомпрессора медленно нарастает даже после закрытия перепускного канала. Такая задержка нежелательна при оживленном движении, при необходимости быстрого торможения и последующем быстром разгоне автомобиля. Поэтому применяют другой способ регулирования, а именно используют дополнительно и перепуск воздуха через байпасный канал компрессора 4.
Воздух поступает в двигателб через воздушный фильтр 1, регулятор состава смеси 2 фирмы «Бош» (ФРГ) типа «К-Джетроник», управляющий топливными форсунками 9 (см. гл. 13), затем во впускной трубопровод 3, и далее компрессором 4 нагнетается во впускные каналы и патрубки 6—8. При быстром отпускании педали управления компрессор еще вращается, и для снижения давления в канале 6 перепускной клапан 5 вакуумом во впускном патрубке 8 открывается, и воздух под давлением из канала 6 через тот же клапан 5 перепускается вновь в трубопровод 3 перед компрессором. Выравнивание давления происходит очень быстро, частота вращения турбокомпрессора при этом резко не падает. При следующем нажатии на педаль перепускной клапан 5 быстро закрывается, и компрессор с незначительной задержкой подает в двигатель воздух под давлением. Этот способ позволяет достичь полной мощности двигателя за доли секунды после нажатия на педаль управления.
Хорошим примером бензинового двигателя с наддувом- служит двигатель «Порше 911» (ФРГ). Первоначально он представлял собой безнаддувный шестицилиндровый двигатель воздушного охлаждения с рабочим объемом 2000 см3, имевший мощность 96 кВт. В варианте исполнения с наддувом его рабочий объем был увеличен до 3000 см3, а мощность доведена до 220 кВт при соответствии требованиям к уровню шума и наличию вредных веществ в отработавших газах. Размеры двигателя при этом не увеличились.
При разработке двигателя «911» был использован большей опыт, накопленный при создании двенадцатицилинд- poioro гоночного двигателя модели «917», который уже в 1978 г. развил мощность 810 кВт при частоте вращения 7800 мин”1 и давлении наддува 140 кПа. На двигателе было установлено два турбокомпрессора, его максимальный крутящий момент составлял 11СЮ Н-м, а масса — 285 кг. На режиме номинальной мощности двигателя nd- дача воздуха трубокомпрессорами при частоте вращения 90 000 мин”1 составляла 0,55 кг/с при температуре воздуха 150—160 °C. При максимальной мощности двигателя температура отработавших газов достигала 1000—1100 °C. Разгон гоночного автомобиля с места до 100 км/ч с этим двигателем длился 2,3 с. При создании этого гоночного двигателя была разработана совершенная система регулирования турбонаддува, что позволило добиться хороших динамических качеств автомобиля. Такая же схема регулирования была применена и в двигателе «Порше 911».
При полном открытии дроссельной заслонки максимальное давление наддува в двигателе «Порше 911» клапана перепуска 13 (см. рис. 85) ограничивается 80 кПа. Это давление достигается уже при частоте вращения 3000 мин”1, в диапазоне частоты вращения двигателя 3000—5500 мин”1 давление наддува постоянно и температура воздуха за компрессором составляет 125 °C. При максимальной мощности двигателя величина продувки достигает 22 % от расхода отработавших газов. Предохранительный клапан, установленный во впускном канале, отрегулирован на давление ПО—140 кПа, и при аварии клапана перепуска отработавших газов он отключает подачу топлива, ограничивая тем самым неконтролируемое увеличение мощности двигателя. При максимальной мощности двигателя подача воздуха компрессором составляет 0,24 кг/с. Степень сжатия, равная в безнаддувном двигателе е = 8,5, при введении наддува была снижена до 6,5. Кроме того, были применены выпускные клапаны с натриевым охлаждением, изменены фазы газораспределения и улучшена система охлаждения. При максимальной мощности двигателя частота вращения турбокомпрессора составляет 90 000 мин”1, при этом мощность турбины достигает 26 кВт. Автомобили, предназначенные на экспорт в США, должны отвечать требованиям, предъявляемым к содержанию вредных веществ в отработавших газах, и поэтому поставляемые в США автомобили «Порше 911»
дополнительно оснащены двумя тепловыми реакторами, системой подачи вторичного воздуха в отработавшие газы для их дожигания, а также системой рециркуляции отработавших газов. Мощность двигателя «Порше 911» при этом уменьшается до 195 кВт.
В некоторых других системах регулирования турбонаддува, например системе АРС шведской фирмы СААБ, для регулирования давления наддува применена электроника. Ограничение давления наддува осуществляется клапаном, регулирующим поток отработавших газов через перепускной канал мимо турбины. Клапан открывается при возникновении разрежения во впускном трубопроводе, величина которого регулируется дросселированием потока воздуха между впускным трубопроводом и вход- дом в компрессор.
Регулирующая разрежение в перепускном клапане дроссельная заслонка имеет электропривод, управляемый электронным устройством по сигналам датчиков давления наддува, детонации и частоты вращения. Датчик детонации представляет собой чувствительный пьезоэлектрический элемент, установленный в блоке цилиндров и обнаруживающий возникновение детонационных стуков. По сигналу этого датчика ограничивается разрежение в управляющей камере перепускного клапана.
Такая система регулирования турбонаддува позволяет обеспечить хорошие динамические качества автомобиля, необходимые, например, для быстрого обгона в условиях интенсивного движения. Для этого можно быстро перевести двигатель в режим работы с максимальным давлением наддува, так как детонация в относительно холодном, работавшем на частичной нагрузке, двигателе не возникает мгновенно. По истечении нескольких секунд, когда температуры возрастут и начнет появляться детонация, по сигналу датчика детонации управляющее устройство снизит давление наддува.
Достоинство такого регулирования состоит в том, что оно позволяет использовать в двигателе без каких-либо изменений топлива с различными октановыми числами. При применении топлива с октановым числом 91 двигатель СААБ с такой системой регулирования может работать длительное время с давлением наддува до 70 кПа. При этом степень сжатия этого двигателя, в котором применёйа аппаратура впрыска бензина «Бош К-Джетроник», составляет е = 8,5.
Успехи, достигнутые в уменьшении расхода топлива легковых автомобилей благодаря применению турбонадду- дуда, способствовали его использованию и в мотоциклостроении. Здесь следует назвать японскую фирму «Хонда», которая впервые применила турбонаддув в двухцилиндровом двигателе жидкостного охлаждения модели «СХ 500» для повышения его мощности и снижения расхода топлива. Применение турбокомпрессоров в двигателях с малым рабочим объемом имеет ряд трудностей, связанных с необходимостью получения таких же давлений наддува, как в двигателях большой мощности, но при малых расходах воздуха. Давление наддува зависит в основном от окружной скорости колеса компрессора, а диаметр этого колеса определяется требуемой подачей воздуха. Необходимо, следовательно, чтобы турбокомпрессор имел очень высокую частоту вращения при малых диаметрах рабочих колес. Диаметр колеса компрессора в упомянутом двигателе «Хонда» объемом 500 см3 составляет 48,3 мм и при давлении наддува 0,13 МПа ротор турбокомпрессора вращается с частотой 180 000 мин-1. Максимально допустимая 'частота вращения этого турбокомпрессора достигает 240 000 мин-1.
При увеличении давления наддува выше 0,13 МПа открывается клапан (рис. 87) перепуска отработавших газов, управляемый давлением наддува в камере, и часть отработавших газов, минуя турбину, направляется в выпускной трубопровод, что ограничивает дальнейшее увеличение частоты вращения компрессора. Открывание клапана перепуска происходит при частоте вращения двигателя около 6500 мин-1 и при дальнейшем ее увеличении давление наддува уже не растет.
Количество впрыскиваемого форсункой топлива, требующегося для получения необходимого состава смеси, определяется вычислительным устройством, размещенным над задним колесом мотоцикла, которое также обрабатывает информацию датчиков -температур поступающего воздуха и охлаждающей жидкости, датчика положения дроссельной заслонки, датчиков давлений воздуха, датчика частоты вращения двигателя.
Главное преимущество двигателя с наддувом проявляется в снижении расхода топлива при одновременном увеличении мощности двигателя. Мотоцикл «Хонда СХ 500» с безнаддувным двигателем потребляет 4,8 л/100 км, а тот же мотоцикл, оснащенный двигателем с наддувом
3535
35
35
Рис. 87. Схема двигателя с турбонаддувом мотоцикла «Хонда СХ 5С0 Г»: / — воздушный фильгр; 2 —• глушитель шума всасывания; 3 — пластинчатый обратный клапан; 4 — датчик давления воздуха; 5 — датчик температуры всасываемого воздуха; 6 — рабочее колесо компрессора; 7 — резонансная камера; 8 — Демпфирующий ресивер; 9 — датчик давления воздуха в ресивере; 10 — дроссельная заслонка; 11 — датчик положения дроссельной заслонки; 12 •- датчик давления за дроссельной заслонкой; 13 — датчик давления при холодном пуске; 14 — карбюратор холодного пуска; 15 — пластинчатый обратный клапан; 16 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 17 — вычислительное устройство; 18 — реле; 19 — реле; 20 — емкость для топлива; 21 — топливный фильтр; 22 — топливный насос; 23 — регулятор давления впрыскиваемого топлива; 24 — форсунка; 25 — датчик частоты вращения распределительного вала (двигателя); 26 — прерыватель системы зажигания; 27 — индукционная катушка; 28 — регулятор системы зажигания; 29 — выключатель системы зажигания; 30 — центральный переключатель; 31 ** аккумулятор; 32 — рабочее колесо турбины; 33 — клапаны перепуска отработавших газов; 34 —камера управляющего давления клапана перепуска; 35 — выпускной трубопровод
модели «СХ 500 7», —лишь 4,28 л/100 км. Масса мотоцикла «Хонда СХ 500 Т» составляет 248 кг, что более чем на 50 кг выше массы мотоциклов аналогичного класса с рабочим объемом двигателя 500—550 см3 (например, мотоцикл «Кавасаки KZ 550» имеет массу 190 кг). При этом, однако, динамические качества и максимальная скорость у мотоцикла «Хонда СХ 500 7», такие же, как у мотоциклов с вдвое большим рабочим объемом. Тормозная система при этом усовершенствована в связи с ростом скоростных качеств этого мотоцикла. Двигатель «Хонда СХ 500 7» 174
рассчитан на еще более высокие скорости и его максимальная частота вращения составляет 9000 мин-1.
Снижение среднего расхода топлива достигается также тем, что при движении мотоцикла со средней эксплуатационной скоростью давление во впускном трубопроводе равно атмосферному или даже несколько ниже его, т. е. использование наддува весьма незначительно. Лишь при полном открытии дроссельной заслонки и, следовательно, росте количества и температуры отработавших газов увеличивав ется частота вращения турбокомпрессора, давление наддува и благодаря этому повышается мощность двигателя. Некоторое запаздывание повышения мощности двигателя при резком открывании дроссельной заслонки имеет место и связано с временем, необходимым для разгона турбокомпрессора.
Общая схема силовой установки мотоцикла «Хонда СХ 500 Г» с турбонаддувом показана на рис. 87. Большие колебания давления воздуха во. впускном трубопроводе двухцилиндрового двигателя с неравномерным порядком работы цилиндров гасятся камерой и демпфирующим ресивером. При пуске двигателя клапаны предотвращают обратный поток воздуха, вызываемый большим перекрытием фаз газораспределения. Система жидкостного охлаждения исключает подачу горячего воздуха к ногам водителя, имеющую место при воздушном охлаждении. Обдув радиатора системы охлаждения осуществляется вентилятором с электроприводом. Короткий выпускной трубопровод к турбине снижает потери энергии отработавших газов и способствует уменьшению расхода топлива. Максимальная скорость мотоцикла 177 км/ч.
НАДДУВ ТИПА „КОМПРЕКС“
Очень интересный способ наддува «Компрекс», разработанный фирмой «Браун энд Бовери», Швейцария, заключается в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель. Получаемые при этом показатели двигателя такие же, как и в случае использования турбокомпрессора, но турбина и центробежный компрессор, для изготовления и балансировки которых требуются специальные материалы и высокоточное оборудование, отсутствуют.
Схема системы наддува типа «Компрекс» представлена на рис. 88. Главная деталь — это лопастный ротор, враща-
Рис. 88. Схема наддува «Компрекс»Рис. 88. Схема наддува «Компрекс»сти двигателя. Агрегат «Компрекс» не является комсти двигателя. Агрегат «Компрекс» не является комющийся в корпусе с частотой вращения, втрое большей .частоты вращения коленчатого вала двигателя. Ротор установлен в корпусе на подшипниках качения и приводится в движение клиновым или зубчатым ремнем. Привод компрессора типа «Компрекс» потребляет не более 2 % мощно
Рис. 88. Схема наддува «Компрекс»
Рис. 88. Схема наддува «Компрекс»
сти двигателя. Агрегат «Компрекс» не является ком
сти двигателя. Агрегат «Компрекс» не является ком
прессором в полном смысле слова, поскольку его ротор имеет только каналы, параллельные оси вращения. В этих каналах поступающий в двигатель воздух сжимается давлением отработавших газов. Торцовые зазоры ротора гарантируют распределение отработавших газов и воздуха по каналам ротора. На внешнем контуре ротора расположены радиальные пластины, имеющие небольшие зазоры с внутренней поверхностью корпуса, благодаря чему образуются каналы, закрытые с обеих сторон торцовыми крышками.
В правой крышке имеются окна а для подачи отработавших газов от двигателя в корпус агрегата иг — для отвода отработавших газов из корпуса в выпускной трубопровод и далее — в атмосферу. В левой крышке имеются окна б для подачи сжатого воздуха в двигатель и окна д для подвода свежего воздуха в корпус из впускного трубопровода е. Перемещение каналов при вращении ротора вызывает их поочередное соединение с выпускным и впускным трубопроводами двигателя.
При открывании окна а возникает ударная волна давления, которая со скоростью звука движется к другому концу выпускного трубопровода и одновременно направляет в канал ротора отработавшие газы, не смешивая их с воздухом. Когда эта волна давления достигнет другого конца выпускного трубопровода, откроется окно б и сжатый отработавшими газами воздух в канале ротора будет вытолкнут из него в трубопровод в к двигателю. Однако еще до того, как отработавшие газы в этом канале
роторе приблизятся к его левому концу, закроется сначала окно а, а затем окно б, и этот канал ротора с находя едимися в нем под давлением отработавшими газами с обеих сторон будет закрыт торцовыми стенками корпуса.
'При дальнейшем вращении ротора этот канал с отра ботавшими газами подойдет к окну г в выпускной трубо провод и отработавшие газы выйдут в него из канала. При движении канала мимо окон г выходящие отработавшие газы эжектируют через окна д свежий воздух, который, заполняя весь канал, обдувает и охлаждает ротор. Пройдя окна гид, канал ротора, заполненный свежим воздухом, вновь закрывается с обеих сторон торцовыми стенками корпуса и, таким образом, готов к следующему циклу. Описанный цикл весьма упрощен в сравнении с происходящим в действительности и осуществляется лишь в узком диапазоне частоты вращения двигателя. Здесь кроется причина того, что известный уже в течение 40 лет этот способ наддува не применяется в автомобилях. За последние 10 лет работами фирмы «Браун энд Бовери» наддув «Компрекс» значительно усовершенствован, в частности, введена дополнительная камера в торцовой крышке, обеспечивающая надежную подачу воздуха в широком диапазоне частоты вращения двигателя, в том числе и при малых ее значениях.
Наддув «Компрекс» был испытан на полноприводных автомобилях повышенной проходимости австрийской фирмы «Штейер-Даймлер-Пух», на которых были установлены дизели «Опель Рекорд 2,30» и «Мерседес-Бенц 2000».
Преимущество способа «Компрекс» в сравнении с турбонаддувом состоит в отсутствии запаздывания повышения давления наддува после нажатия на педаль управления. Эффективность системы турбонаддува определяется энергией отработавших газов, зависящих от их температуры. Если, например, при полной мощности двигателя температура отработавших газов составляет 400 °C, то зимой для ее достижения требуется несколько минут. Значительное преимущество способа «Компрекс» заключается также в получении большого крутящего момента двигателя при малых частотах вращения, что позволяет применять коробку передач с меньшим числом ступеней.
Быстрый набор мощности двигателя при нажатии на педаль управления особенно желателен для гоночных автомобилей. Итальянская фирма «Феррари» испытывает способ наддува «Компрекс» на своих гоночных автомо-
билях, так как при использовании турбонаддува для быстрой реакции двигателя на положение педали управления при прохождении на гоночном автомобиле поворотов необходимо применение описанной ранее сложной системы регулирования.
При испытаниях системы наддува «Компрекс» на шестицилиндровых двигателях гоночных автомобилей «Феррари» класса F1 отмечалась очень быстрая реакция двигателя на перемещение педали управления.
Для получения максимального давления наддува на этих двигателях применено охлаждение наддувочного воздуха. Через ротор агрегата «Компрекс» проходит большее количество воздуха, чем требуется двигателю, так как часть воздуха используется для охлаждения агрегата наддува. Это очень выгодно для гоночных двигателей, которые и на старте работают практически с полным расходом воздуха через радиатор промежуточного охлаждения. В этих условиях двигатель с агрегатом «Компрекс» будет к моменту старта находиться в лучшем температурном состоянии для выхода на полную мощность.
Применение агрегата наддува «Компрекс» вместо турбокомпрессора снижает шум двигателя, так как он работает при более низкой частоте вращения. На начальном этапе разработок скорость ротора была причиной появления шумов такой же частоты, как и у турбокомпрессора. Этот недостаток был устранен неравномерным шагом каналов по окружности ротора.
При применении системы «Компрекс» значительно упрощается рециркуляция отработавших газов, применяемая с целью снижения содержания в них NOX. Обычно рециркуляция осуществляется путем отбора части отработавших газов из выпускной трубы, их дозирования, охла,жде- ния и подачи во впускной трубопровод двигателя. В системе «Компрекс» эта схема может быть существенно проще, поскольку смешение отработавших газов с потоком свежего воздуха и их охлаждение происходит непосредственно в каналах ротора.
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Механический КПД отражает соотношение между индикаторной и эффективной мощностью двигателя. Различие этих величин вызвано потерями, связанными с передачей 178
газовых сил от днища поршня к маховику и с приводом вспомогательного оборудования двигателя. Все эти потери необходимо точно знать, когда ставится задача улучшить топливную экономичность двигателя.
Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре, меньшая — трением в хорошо смазываемых подшипниках и приводом необходимого для работы двигателя оборудования. Потери, связанные с поступлением воздуха в двигатель (насосные потери), весьма важны, так как они возрастают пропорционально квадрату частоты вращения двигателя.
Потери мощности, необходимые для привода оборудования, обеспечивающего работу двигателя, включают мощность на привод механизма газораспределения, масляного, водяного и топливного насосов, вентилятора системы охлаждения. При воздушном охлаждении вентилятор подачи воздуха является неотъемлемым элементом двигателя при его испытаниях на стенде, в то время как у двигателей жидкостного охлаждения при проведении испытаний вентилятор и радиатор часто отсутствуют, а для охлаждения используют воду из внешнего контура охлаждения. Если потребляемую мощность вентилятора двигателя жидкостного охлаждения не учитывать, то это дает заметное завышение его экономических и мощностных показателей по сравнению с двигателем воздушного охлаждения.
Другие потери на привод оборудования связаны с генератором, пневмокомпрессором, гидронасосами, необходимыми для освещения, обеспечения работы приборов, тормозной системы, рулевого управления автомобиля. При испытании двигателя на тормозном стенде следует точно определить, что считать дополнительным оборудованием и как его нагружать, поскольку это необходимо для объективного сопоставления характеристик разных двигателей. В частности, это относится к системе охлаждения масла, которое при движении автомобиля охлаждается обдувом масляного поддона воздухом, отсутствующим при испытаниях на тормозном стенде. При испытании на стенде двигателя без вентилятора не воспроизводятся условия обдува трубопроводов воздухом, что вызывает повышение температур во впускной трубе и ведет к уменьшению величины коэффициента наполнения и мощности двигателя.
Размещение воздушного фильтра и величина сопротивления выпускного трубопровода должны соответствовать
имеющимся в условиях работы двигателя в автомобиле. Эти важные особенности необходимо учитывать при сопоставлении характеристик различных двигателей цлй одного двигателя, предназначенного для применения в различных условиях, например, в легковом или грузовом автомобиле, тракторе или для привода стационарного генератора, компрессора и т. д.
При уменьшении нагрузки двигателя его механический КПД ухудшается, так как абсолютная величина большинства потерь не зависит от нагрузки. Наглядным примером служит работа двигателя без нагрузки, т. е. на холостом ходу, когда механический КПД равен нулю и вся индикаторная мощность двигателя расходуется на преодоление его потерь. При нагрузке двигателя на 50 % или менее удельный расход топлива по сравнению с полной нагрузкой значительно возрастает, и поэтому использовать для привода двигатель, имеющий большую, чем это требуется, мощность, совершенно неэкономично.
Механический КПД двигателя зависит от типа используемого масла. Применение в зимнее время масел повышенной вязкости приводит к росту расхода топлива. Мощность двигателя при больших высотах над уровнем моря падает вследствие уменьшения давления атмосферы, однако его потери практически не меняются, вследствие чего удельный расход топлива возрастает аналогично тому, как это имеет место при частичной нагрузке двигателя.
ПОТЕРИ НА ТРЕНИЕ
В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЕ
И ПОДШИПНИКАХ
Наибольшие потери в двигателе вызваны трением поршня в цилиндре. Условия смазки стенок цилиндра являются далеко неудовлетворительными. Слой масла на стенке цилиндра при положении поршня в НМТ находится под действием горячих отработавших газов. Для уменьшения расхода масла маслосъемное кольцо снимает часть его со стенки цилиндра при движении поршня к НМТ, однако слой смазки между юбкой поршня и цилиндром сохраняется.
Наибольшее трение вызывает первое компрессионное кольцо. При движении поршня к ВМТ это кольцо опира-’ ется на нижнюю поверхность поршневой канавки поршня 180
и давление, возникающее при сжатии, а затем сгорании рабочей смеси, прижимает его к стенке цилиндра. Поскольку режим смазывания поршневого кольца наименее благоприятен вследствие наличия сухого трения и высокой температуры, то потери на трение здесь являются самыми высокими. Режим смазывания второго компрессионного кольца является более благоприятным, но трение остается значительным. Поэтому число поршневых колец также оказывает влияние на величину потерь трения цилиндропоршневой группы.
Другой неблагоприятный фактор —прижатие поршня вблизи ВМТ к стенке цилиндра давлением газов и силами инерции возвратно-поступательно движущихся масс. У высокооборотных автомобильных двигателей инерционные силы имеют большую величину, чем газовые. Поэтому наибольшую нагрузку шатунные подшипники имеют в ВМТ такта выпуска, когда шатун растянут инерционными силами, приложенными к его верхней и нижней головкам.
Сила, действующая вдоль шатуна, раскладывается на силы, направленные по оси цилиндра и нормально к его стенке.
Подшипники качения в двигателе выгодно использовать при больших действующих на них усилиях. Целесообразно, например, размещать коромысла клапанов на игольчатых подшипниках. В качестве подшипников поршневого пальца в шатуне раньше также применяли роликовые подшипники, особенно в двухтактных двигателях большой мощности. Поршень и подшипник поршневого пальца двухтактного двигателя в большинстве случаев подвергаются нагрузке только в одном направлении, поэтому в подшипнике скольжения не может образовываться требуемая масляная пленка. Для хорошего смазывания подшипника скольжения в верхней головке шатуна на всей длине его втулки в этом случае выполняются поперечные смазочные канавки, расположенные на таком расстоянии друг от друга, чтобы при качании в этом месте могла образоваться масляная пленка.
Для получения малых потерь на трение в цилиндро- прршневой группе необходимо иметь поршни, обладающие небольшой массой, малое число поршневых колец и защитный слой на юбке поршня, предохраняющий поршень от задира и заклинивания.
ПОТЕРИ ПРИ ГАЗООБМЕНЕ
Для наполнения цилиндра воздухом необходимо воз- никнование перепада давлений между цилиндром и внешней средой. Разрежение в цилиндре при впуске, дейст- . вующее в направлении, противоположном движению поршня, и тормозящее вращение коленчатого вала, зависит от фаз газораспределения, диаметра впускного трубопровода, а также от формы впускного канала, необходимой, например, для создания вращения воздуха в цилиндре. Двигатель в этой части цикла действует как воздушный насос и на его привод расходуется часть индикаторной мощности двигателя.
Для хорошего наполнения цилиндра необходимо, чтобы потери давления, пропорциональные квадрату частоты вращения двигателя, при наполнении были наименьшими. Аналогичный характер зависимости от частоты вращения имеют и потери на трение в цилиндропоршневой группе, и, поскольку этот вид потерь преобладает среди других, общие потери также зависят от второй степени частоты вращения двигателя. Поэтому механический КПД с возрастанием частоты вращения падает, а удельный расход топлива ухудшается.
При максимальной мощности двигателя механический КПД обычно равен 0,75, и при дальнейшем повышении частоты вращения происходит быстрое падение эффективной мощности. При максимальной частоте вращения и !частичных нагрузках двигателя эффективный КПД ми-
р ' нимален.
‘К потерям при газообмене относятся и затраты энер-
;гии, связанные с продувкой картера коленчатого вала.
;Наибольшие потери имеют одноцилиндровые четырех-
;тактные двигатели, у которых воздух при каждом ходе
;поршня всасывается в картер и вновь выталкивается из
него. Большой объем прокачиваемого через картер воздуха имеют также двухцилиндровые двигатели с V-об- разным и оппозитным расположениями цилиндров. Этот вид потерь может быть уменьшен установкой обратного клапана, создающего в картере разрежение. Разрежение в картере уменьшает также потери масла, происходящие из-за негерметичности. В многоцилиндровых двигателях, у которых один поршень движется вниз, а другой вверх, объем газа в картере ие меняется, но соседние секции цилиндров должны при этом хорошо сообщаться друг с другом.
ПОТЕРИ НА ПРИВОД
ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ
; Значение потерь на привод оборудования часто недооценивают, хотя они оказывают большое влияние на механический КПД двигателя. Хорошо исследованы потери на привод механизма газораспределения. Работа, затрачиваемая при открытии клапана, частично возмещается, когда пружина клапана закрывает его и тем самым приводит в движение распределительный вал. Потери на привод газораспределения относительно невелики и с их уменьшением удается получить лишь небольшую экономию затрат мощности на приводы. Иногда распределительный вал размещают на подшипниках качения, однако это применяется только на двигателях гоночных автомобилей.
Большее внимание следует уделить масляному насосу. Если размеры насоса и расход масла через него завышены, то большая часть масла сбрасывается через редукционный клапан при большом давлении, возникают значительные потери на привод масляного насоса. В то же время необходимо иметь резервы в системе смазки для того, чтобы обеспечить достаточное давление для смазки подшипников скольжения, в том числе и для изношенных. В этом случае малая подача масла насосом приводит к уменьшению давления при низких частотах вращения двигателя и при его длительной работе с полной нагрузкой. Редукционный клапан в этих условиях должен быть закрыт и вся подача масла должна использоваться для смазки. На привод топливного насоса и распределителя зажигания расходуется небольшая мощность. Также мало энергии расходует генератор переменного тока. Значительная часть эффективной мощности, а именно 5—10 %, затрачивается на привод вентилятора и насоса системы охлаждения, необходимых для отвода теплоты из двигателя. Об этом уже говорилось в 9.3. Существует, как можно видеть, несколько путей для улучшения механического КПД двигателя.
На приводе топливного насоса и открывании форсунок можно сэкономить небольшое количество энергии. В несколько большей степени это возможно в дизелях.
ПОТЕРИ НА ПРИВОД
ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЯ
Автомобиль обычно оснащен также оборудованием, которое расходует часть эффективной мощности двигателя, и снижает тем самым остальную ее часть, идущую
на привод автомобиля. В легковом, автомобиле такое оборудование применяется в. ограниченном количестве, в ос- _ новном это различные усилители, используемые для облегчения управления автомобилем, например, рулевого управления, привода сцепления, тормозного привода. Для климатической установки автомобиля также требуется определенная энергия, особенно для кондиционера охлаждения воздуха. Энергия нужна также и для различных гидравлических приводов, например, перемещения сидений, открывания окон, крыши и т. д.
В грузовом автомобиле объем дополнительного оборудования гораздо больше. Обычно применяют тормозную систему, использующую отдельный источник энергии, самосвальные кузова, самопогрузочные устройства, устройство для поднятия запасных колес и т. д. У автомобилей специального назначения такие механизмы применяются еще шире. В общем расходе топлива необходимо учитывать и эти случаи потребления энергии.
Наиболее важное из этих устройств — компрессор для создания постоянного давления воздуха в пневматической тормозной системе. Компрессор работает постоянно, наполняя воздушный ресивер, часть воздуха из которого через редукционный клапан без дальнейшего использования выходит в атмосферу. Для гидросистем высокого давления, обслуживающих дополнительное оборудование, характерны, главным образом, потери в редукционных клапанах. В них обычно используют клапан, который после достижения рабочего давления в гидроаккумуляторе отключает дальнейшую подачу в него рабочей жидкости и управляет байпасной линией между насосом и баком.
СРАВНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
В БЕНЗИНОВОМ И ДИЗЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЯХ
В заключение этой главы приведем сравнительные данные по механическим потерям, измеренным в одинаковых условиях работы бензинового двигателя со степенью сжатия е = 6 и дизеля со степенью сжатия е = 16 (табл. 11, А).
Для бензинового двигателя, кроме того, в табл. 11, Б проведено также сравнение механических потерь при полной и частичной нагрузках.
Общие потери, как видно из табл. 11, относительно невелики, поскольку были измерены при низкой частоте 184
11. А. Среднее давление различных видов механических потерь в бензиновом и дизельном двигателях (л = 1600 мин"1), МПа
Вид потер
Тип двигателя
Бензиновый е = 6
Дизельный
8 = 16
Насосные потери (потери на газообмен)
0,025
0,025
Привод водяного, масляного и топливного
0,0072
0,0108
насосов
Привод механизма газораспределения
0,0108
0,0108
Потери в коренных и шатунных подшипниках
0,029
0,043
Потери в цилиндропоршневой группе
0,057
0,09
Механические потери, всего
0,129
0,18
Среднее эффективное давление
0,933
0,846
Механический КПД, %
87,8
82,5
11. Б. Среднее давление различных видов механических потерь в бензиновом двигателе (я = 1600 мин-1, е = 6) при различных нагрузках, МПа
Вид потерь
Нагрузка двигателя
100 %
30 %
Насосные потери (потери на газообмен)
0,025
0,043
Привод механизма газораспределения и вспомогательного оборудования ■
0,0179
0,0179
Потери в кривошипно-шатунном механизме
0,0287
0,0251
Потери в цилиндропоршневой группе
0,0574
0,05
Механические потери, всего
0,129
0,136
Среднее эффективное давление
0,933
0,280
Механический КПД, %
87,8
67,3
вращения (1600 мин-1). С возрастанием скорости вращения потери увеличиваются вследствие действия сил инерции поступательно движущихся масс, возрастающих пропорционально второй степени частоты вращения, а также относительной скорости в подшипнике, так как вязкостное трение также пропорционально квадрату скорости. Интересно сравнить также индикаторные диаграммы в цилиндрах двух рассматриваемых двигателей (рис. 89) [6].
Давление в цилиндре дизеля несколько выше, чем у бензинового двигaтeляi и продолжительность его дей-
Рис. 89. Давление газов в цилиндре бензинового (Д) и дизельного (5) двигателей
ствия больше. Таким образом, газы прижимают кольца к стенке цилиндра с большей силой и на более длительное время, поэтому и потери на трение в цилиндропоршневой группе у дизеля больше. Увеличенные по сравнению с бензиновым двигателем размеры, особенно диаметр подшипников у дизеля, также способствуют увеличению механических потерь.
Трение в подшипниках вызвано напряжениями сдвига в масляной пленке. Оно линейно зависит от размеров поверхностей трения и пропорционально квадрату скорости сдвига. Существенное влияние на трение оказывает вязкость масла и, в меньшёй степени, толщина масляной пленки в подшипниках. Давление газа в цилиндре почти не влияет на потери в подшипниках.
ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРА ЦИЛИНДРА И ХОДА ПОРШНЯ НА ЭФФЕКТИВНЫЙ КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Ранее речь шла о снижении до минимума потерь теплоты для повышения индикаторного КПД двигателя, причем в основном говорилось об уменьшении отношения поверхности камеры сгорания к ее объему. Объем камеры сгорания в известной степени указывает на количество вводимой теплоты. Теплотворная способность поступающего заряда в бензиновом двигателе определена соотношением воздуха и топлива, близким к стехиометрическому. В дизель подается чистый воздух, а подача топлива ограничена степенью неполноты сгорания, при которой в от- 186
работавших газах появляется дым. Поэтому связь количества вводимой теплоты с объемом камеры сгорания достаточно очевидна.
Наименьшим отношением поверхности к заданному объему обладает сфера. Тепло в окружающее пространство отводится поверхностью, поэтому масса, имеющая форму шара, охлаждается в наименьшей степени. Эти очевидные соотношения учитываются при проектировании камеры сгорания. Следует, однако, иметь в виду геометрическое подобие деталей двигателей разных размеров. Как известно, объем сферы равен 4/Зл/?3, а ее поверхность — 4л/?2, и, таким образом, объем с ростом диаметра увеличивается быстрее, чем поверхность, и, следовательно, сфера большего диаметра будет иметь меньшую величину отношения поверхности к объему. Если поверхности сферы разного диаметра имеют одинаковые перепады температур и одинаковые коэффициенты теплоотдачи а, то большая сфера будет охлаждаться медленнее.■
Двигатели геометрически подобны, когда они имеют одинаковую констоукцию, но отличаются размерами. Если первый двигатель имеет диаметр цилиндра, напрд- мер, равный единице, а у второго двигателя он в 2 раза больше, то все линейные размеры второго двигателя будут в 2 раза, поверхности —в 4 раза, а объемы —в 8 раз больше, чем у первого двигателя. Полного геометрического подобия достичь, однако, не удается, так как размеры, например, свечей зажигания и топливных форсунок одинаковы у двигателей с разными размерами диаметра цилиндра.
Из геометрического подобия можно сделать тот вывод, что больший по размерам цилиндр имеет и более приемлемое отношение поверхности к объему, поэтому его тепловые потери при охлаждении поверхности в одинаковых условиях будут меньше.
При определении мощности нужно, однако, учитывать некоторые ограничивающие факторы. Мощность двигателя зависит не только от размеров, т. е. объема цилиндров двигателя, но и от частоты его вращения, а также среднего эффективного давления. Частота вращения двигателя ограничена максимальной средней скоростью поршня, массой и совершенством конструкции кривошипно-шатунного механизма. Максимальные средние скорости поршня бензиновых двигателей лежат в пределах 10—22 м/с. У двигателей легковых автомобилей максимальное значение сред-
ней скорости поршня достигает 15 м/с, а значения величины среднего эффективного давления при полной нагрузке близки к 1 МПа.
Рабочий объем двигателя и его размеры определяют не только геометрические факторы. Например, толщийа стенок задана технологией, а не нагрузкой на них. Теплопередача через стенки зависит не от их толщины, а от теплопроводности их материала, коэффициентов теплоотдачи на поверхностях стенок, перепада температур и т. д. Колебания давления газа в трубопроводах распространяются со скоростью звука независимо от размеров двигателя, зазоры в подшипниках определяются свойствами масляной пленки и т. д. Некоторые выводы относительно влияния геометрических размеров цилиндров, тем не менее, необходимо сделать.
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
ЦИЛИНДРА С БОЛЬШИМ РАБОЧИМ ОБЪЕМОМ
Цилиндр большего рабочего объема имеет меньшие относительные потери теплоты в стенки. Это хорошо подтверждается примерами стационарных дизелей с большими рабочими объемами цилиндров, которые имеют очень низкие удельные расходы топлива. В отношении легковых автомобилей это положение, однако, подтверждается не всегда.
Анализ уравнения мощности двигателя показывает, что наибольшая мощность двигателя может быть достигнута при небольшой величине хода поршня.
Средняя скорость поршня может быть вычислена как
Сд 30 > м/с,
где S —ход поршня, м; п—частота вращения, мин-1.
При ограничении средней скорости поршня Сп частота вращения может быть тем выше, чем меньше ход поршня. Уравнение мощности четырехтактного двигателя имеет вид
— 120 ’_
где Vh —объем двигателя, дм3; п—частота вращения, мин-1; ре — среднее эффективное давление, МПа.
188
Следовательно, мощность двигателя прямо пропорциональна частоте его вращения и рабочему объему. Тем самым к двигателю одновременно предъявляются противоположные требования —большой рабочий объем цилиндра и короткий ход. . Компромиссное решение состоит в применении большего числа цилиндров.
Наиболее предпочтительный рабочий объем одного цилиндра высокооборотного бензинового двигателя составляет 300—500 см3. Двигатель с малым числом таких цилиндров плохо уравновешен, а с большим — имеет значительные механические потери и обладает поэтому повышенными удельными расходами топлива. Восьмицилиндровый двигатель рабочим объемом 3000 см3 имеет меньший удельный расход топлива, чем двенадцатицилиндровый с таким же рабочим объемом.
Для достижения малого расхода топлива целесообразно применять двигатели с малым числом цилиндров. Однако одноцилиндровый двигатель с большим рабочим объемом не находит применения в автомобилях, поскольку его относительная масса велика, а уравновешивание возможно лишь при использовании специальных механизмов, что ведет к дополнительному увеличению его массы, размеров и стоимости. Кроме того, большая неравномерность крутящего момента одноцилиндрового двигателя неприемлема для трансмиссий автомобиля.
Наименьшее число цилиндров у современного автомобильного двигателя равно двум. Такие двигатели с успехом применяют в автомобилях особо малого класса («Ситроен 2 СУ», «Фиат 126»). Сточки зрения уравновешенности, следующим в ряду целесообразного применения стоит четырехцилиндровый двигатель, однако в настоящее время начинают применять и трехцилиндровые двигатели с небольшим рабочим объемом цилиндров, поскольку они позволяют получить" малые расходы топлива. Кроме того, меньшее число цилиндров упрощает и удешевляет вспомогательное оборудование двигателя, так как сокращается число свечей зажигания, форсунок, плунжерных пар топливного насоса высокого давления. При поперечном расположении в автомобиле такой двигатель имеет меньшую длину и не ограничивает поворот управляемых колес.
Трехцилиндровый двигатель позволяет использовать унифицированные с четырехцилиндровым основые детали: гильзу цилиндра, поршневой комплект, шатунный комп-
лект, клапанный механизм. Такое же решение возможно и для пятицилиндрового двигателя, что позволяет при необходимости увеличения мощностного ряда вверх,рт базового четырехцилиндрового двигателя избежать Перехода на более длинный шестицилиндровый.
На преимущества применения дизелей с большим рабочим объемом цилиндра уже было указано. Помимо уменьшения потерь теплоты при сгорании это дает возможность получить более компактную камеру сгорания, в которой при умеренных степенях сжатия создаются более высокие температуры к моменту впрыска топлива. У цилиндра с большим рабочим объемом можно использовать форсунки с большим числом сопловых отверстий, обладающих меньшей чувствительностью к нагарообразованию.
ОТНОШЕНИЕ ХОДА ПОРШНЯ
К ДИАМЕТРУ ЦИЛИНДРА
Частное от деления величины хода поршня S на величину диаметра цилиндра D представляет собой широко употребляемое значение отношения S/D. Точка зрения на величину хода поршня в течение развития двигателестрое- ния менялась.
На начальном этапе автомобильного двигателестроения действовала так называемая налоговая формула, на основе которой взимаемый налог на мощность двигателя рассчитывался с учетом числа и диаметра D его цилиндров. Классификация двигателей осуществлялась также в соответствии с этой формулой. Поэтому отдавалось предпочтение двигателям с большой величиной хода поршня с тем, чтобы увеличить мощность двигателя в рамках данной налоговой категории. Мощность двигателя росла, но увеличение частоты вращения было ограничено допустимой средней скоростью поршня. Поскольку механизм газораспределения двигателя в этот период не был рассчитан на высокую оборотность, то ограничение частоты вращения скоростью поршня не имело значения.
Как только описанная налоговая формула была упразднена, и классификация двигателей стала проводится в соответствии с рабочим объемом цилиндра, ход поршня начал резко уменьшаться, что позволило увеличить частоту вращения и, тем самым, мощность двигателя. В цилиндрах большего диаметра стало возможным применение клапанов больших размеров. Поэтому были созданы корот
коходные двигатели с отношением S/D, достигающим 0,5. Усовершенствование механизма газораспределения, особенно при использовании четырех клапанов в цилиндре, позволило довести номинальную частоту вращения двига- гателя до 10 000 мин-1 и более, вследствие чего удельная мощность быстро возросла.
В настоящее время большое внимание уделяется уменьшению оасхода топлива. Проведенные с этой целью исследования влияния S!D показали, что короткоходные двигатели обладают повышенным удельным расходом топлива. Это вызвано большой поверхностью камеры сгорания, а также снижением механического КПД двигателя из-за относительно большой величины поступательно движущихся масс деталей шатунно-поршневого комплекта и роста потерь на приводы вспомшательного оборудования. При очень коротком ходе нужно удлинять шатун с тем, чтобы нижняя часть юбки поршня не задевалась противовесами коленчатого вала. Масса поршня при уменьшении его хода мало уменьшилась и при использовании выемок и вырезов на юбке поршня. Для снижения выброса токсичных веществ в отработавших газах целесообразнее применять двигатели с компактной камерой сгорания и с более длинным ходом поршня. Поэтому в настоящее время от двигателей с очень низким отношением S/D отказы
ваются.
Зависимость среднего эффективного давления от отношения S/D у лучших гоночных двигателей, где четко
видно снижение р„ при малых отношениях S/D, приведена
на рис. 90. В настоящее время более отношение S/D, равное или несколько большее единицы. Хотя при коротком ходе поршня отношение поверхности цилиндра к его рабочему объему при положении поршня в НМТ меньше, чем у длинноходных двигателей, нижняя зона цилиндра не так важна для отвода теплоты, поскольку
выгодным считаетсявыгодным считаетсяРис. 90. Влияние отношения хода поршня S к диаметру цилиндраD иа среднее эффективное давление ре двигателей гоночных автомобилейРис. 90. Влияние отношения хода поршня S к диаметру цилиндраD иа среднее эффективное давление ре двигателей гоночных автомобилейтемпература газов уже заметно
выгодным считается
выгодным считается
Рис. 90. Влияние отношения хода поршня S к диаметру цилиндраD иа среднее эффективное давление ре двигателей гоночных автомобилей
Рис. 90. Влияние отношения хода поршня S к диаметру цилиндраD иа среднее эффективное давление ре двигателей гоночных автомобилей
падает.
Длинноходный двигатель имеет более выгодное отношение охлаждаемой поверхности к объему камеры сгорания при положении
поршня в ВМТ, что более важно, так как в этот период цикла температура газов, определяющая потери теплоты, наиболее высока. Сокращение поверхности теплоотдачи в этой фазе процесса расширения уменьшает тепловые • потери и улучшает индикаторный КПД двигателя.
ДРУГИЕ ПУТИ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЕМ
Двигатель работает с минимальным расходом топлива лишь в определенной области своей характеристики, что хорошо показано на рис. 28.
При эксплуатации автомобиля мощность его двигателя должна всегда располагаться на кривой минимального удельного расхода топлива. В легковом автомобиле это условие выполнимо, если использовать четырех- и пятиступенчатую коробку передач (см. рис. 29), причем чем меньше передач, тем труднее выполнить это условие. При движении по горизонтальному участку дороги двигатель не работает в оптимальном режиме даже при включении четвертой передачи. Поэтому для оптимальной загрузки двигателя автомобиль необходимо разгонять на высшей передаче вплоть до достижения максимально разрешенной законом скорости. Далее целесообразно перевести коробку передач в нейтральное положение, выключить двигатель и ехать по инерции до падения скорости, например до 60 км/ч, а затем следует снова включить двигатель и высшую передачу в коробке и при оптимальном нажатии на педаль управления двигателя вновь довести скорость до 90 км/ч.
Такое вождение автомобиля способом «разгон—накат» было описано в гл. 5. Этот способ вождения приемлем для соревнований на экономичность, поскольку двигатель или работает в экономичной области характеристики, или отключен. Однако для реальной эксплуатации автомобиля при интенсивном движении он не пригоден.
Этот пример показывает один из способов уменьшения расхода топлива. Другой способ минимизации удельного расхода топлива —ограничение мощности двигателя при сохранении его хорошего механического КПД. Отрицательное влияние частичной нагрузки на механический КПД уже было показано на рис. 27 и в табл. 11, Б.
В частности, из табл. 11.Б видно, что при снижении нагрузки двигателя со 100 % до 30 % доля механических потерь в индикаторной работе повышается с 12 % до 33 %, а механический КПД падает с 88 % до 67 %. Величина мощности, равная 30 % от максимальной, может быть достигнута при работе только двух цилиндров четырехцилиндрового двигателя.
ВЫКЛЮЧЕНИЕ ЦИЛИНДРОВ
Если при частичной нагрузке многоцилиндрового двигателя выключить несколько цилиндров, то остальные будут работать при большей нагрузке с лучшим КПД. Так, при работе восьмицилиндрового двигателя с частичной нагрузкой весь объем воздуха можно направить только четырем цилиндрам, их нагрузка увеличится вдвое и эффективный КПД двигателя повысится. Охлаждающая поверхность камер сгорания у четырех цилиндров меньше, чем у восьми, поэтому количество теплоты, отведенное системой охлаждения, снижается, и расход топлива может уменьшиться на 25 %.
Для отключения цилиндров обычно применяют управление приводом клапанов. Если оба клапана закрыты, то смесь в цилиндр не поступает и постоянно находящийся в нем газ последовательно сжимается и расширяется. Работа, затрачиваемая при этом на сжатие газа, вновь высвобождается при расширении в условиях небольшого отвода теплоты стенками цилиндра. Механический и индикаторный КПД в этом случае улучшаются по сравнению с КПД восьмицилиндрового двигателя, работающего на всех цилиндрах при той же эффективной мощности.
Этот способ выключения цилиндров очень удобен, так как цилиндр отключается автоматически при переходе двигателя на частичные нагрузки и включается практически мгновенно при нажатии на педаль управления. Следовательно, водитель в любой момент может использовать полную мощность двигателя для совершения обгона или быстрого преодоления подъема. При движении в городе экономия топлива проявляется особенно отчетливо. У выключенных цилиндров отсутствуют насосные потери, и они не подают воздух в выпускной трубопровод. При движении под уклон выключенные цилиндры оказывают меньшее сопротивление, торможение двигателем уменьшается, и автомобиль по инерции проходит больший путь, как при наличии муфты свободного хода.
Выключение цилиндра верхнеклапанного двигателя с нижним распределительным валом удобно осуществить с помощью перемещаемого электромагнитом упора коромысла клапана. При выключении электромагнита клапан остается закрытым, так как коромысло поворачивается кулачком распределительного вала вокруг точки касания с торцом стержня клапана, а упор коромысла может при этом свободно перемещаться.
У восьмицилиндрового двигателя два или четыре цилиндра выключают таким образом, чтобы чередование работающих цилиндров было по возможности равномерным. В шестицилиндровом двигателе выключается от одного до трех цилиндров. Сейчас проводят также испытания выключения двух цилиндров четырехцилиндрового двигателя.
Подобное отключение клапанов у двигателя с верхним расположением распределительного вала затруднительно, поэтому применяют иные способы отключения цилиндров. Например, половину цилиндров шестицилиндрового двигателя БМВ (ФРГ) выключают так, что у трех цилиндров отключаются зажигания и впрыск, а отработавшие газы из трех работающих цилиндров отводятся через три отключенных цилиндра и могут расширяться далее. Этот процесс осуществляется клапанами во впускном и выпускном трубопроводах. Преимущество этого способа заключается в том, что выключенные цилиндры постоянно нагреваются проходящими отработавшими газами.
В восьмицилиндровом V-образном двигателе «Порше 928» с отключением цилиндров имеются две-практически полностью отделенные друг от друга четырехцилиндровые V-образные секции. Каждая из них снабжена самостоятельным впускным трубопроводом, механизм газораспределения при этом не имеет отключения приводов клапанов. Один из двигателей отключается закрыванием дроссельной заслонки и прекращением впрыска бензина, причем испытания показали, что насосные потери будут наименьшими при небольшом открытии дроссельной заслонки. Дроссельные заслонки обеих секций оснащены независимыми приводами. Отключаемая секция постоянно подает небольшое количество воздуха в общий выпускной трубопровод, которое используется для дожигания отработавших газов в термическом реакторе. Это исключает применение специального насоса для подачи вторичного воздуха.
350
Рис. 91. Многопараметровые характеристики V-образного 8-цилии- дрового бензинового двигателя «Порше 928» с отключением цилиндров: включены 8 цилиндров включены 4 цилиндра
При разделении восьмицилиндрового двигателя на две четырехцилиндровые секции одна из них отрегулирована на большой момент при низкой частоте вращения и постоянно находится в работе, а вторая —на максимальную мощность и включается только при необходимости иметь мощность, близкую к максимальной. Секции двигателя могут иметь различные фазы газораспределения и различной длины впускные трубопроводы.
Многопараметровые характеристики двигателя «Порше 928» при работе восьми (сплошные кривые) и четырех цилиндров (штриховые кривые) приведены на рис. 91. Области улучшения удельного расхода топлива за счет отключения четырех цилиндров двигателя заштрихованы. Например, при частоте вращения 2000 мин-1 и крутящем моменте 80 Н-м удельный расход топлива при работе всех восьми цилиндров двигателя составляет 400 г/(кВт-ч), тогда как у двигателя с четырьмя выклю-
ценными цилиндрами на том же режиме он немногим более 350 г/(кВт-ч).
Еще более заметную экономию топлива можно получить при низких скоростях движения автомобиля. Разница в расходе топлива при равномерном движении по горизонтальному участку шоссе дана на рис. 92. У двигателя с четырьмя выключенными цилиндрами (пунктирная кривая) при скорости 40 км/ч расход топлива падает на 25 %з с 8 до 6 л/100 км.
Но экономия топлива в двигателе может достигаться не только выключением цилиндров. В новых двигателях «Порше» модели ТОР («термодинамически оптимизированный двигатель «Порше») были реализованы все возможные свособы повышения индикаторного КПД традиционного бензинового двигателя. Степень сжатия была повышена сначала с 8,5 до 10, а затем, изменением формы днища поршня, — до 12,5 при одновременном повышении интенсивности вращения заряда в цилиндре при такте сжатия. У модернизированных таким образом двигателей «Порше 924» и «Порше 928» удельный расход топлива снизился на 6—12 %. Примененная при этом электронная система зажигания, устанавливая оптимальный угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя, повышает КПД двигателя при его работе на частичных нагрузках в условиях смесей бедного состава, а также исключает детонацию на режимах максимальных нагрузок.
Выключение двигателя при остановках автомобиля на перекрестках также приносит экономию топлива. При работе двигателя на холостом ходу с частотой вращения ниже, чем 1000 мин"1, и температуре охлаждающей жидкости более 40 °C через 3,5 с зажигание выключается. Дви-
тели «Порше» модели ТОР в части топливной экономичности могут конкурировать с дизелями.
Фирма «Мерседес-Бенц» также предприняла попытки снизить расход топлива в восьмицилиндровом двигателе методом отключения цилиндров. Отключение достигалось с помрщью электромагнитного устройства, разрывающего жесткую связь между кулачком и клапаном. В условиях движения по городу расход топлива при этом снизился на 32 %.
ПЛАЗМЕННОЕ ЗАЖИГАНИЕ
Снизить расход топлива и содержание вредных веществ в отработавших газах можно использованием бедных смесей, однако их искровое зажигание вызывает затруднения. Гарантированное зажигание искровым разрядом имеет место при массовом соотношении воздух/топливо не более 17. При более бедных составах возникают пропуски воспламенения, что ведет к росту содержания вредных веществ в отработавших газах.
При создании расслоенного заряда в цилиндре можно обеспечить сжигание очень бедной смеси при условии, что в зоне свечи зажигания образуется смесь богатого состава. Богатая смесь легко воспламеняется, и факел пламени, выброшенный в объем камеры сгорания, воспламеняет находящуюся там бедную смесь.
В последние годы ведутся исследования по воспламенению бедных смесей плазменным и лазерным способами, при которых в камере сгорания образуется несколько очагов горения, так как воспламенение смеси происходит одновременно в разных зонах камеры. Вследствие этого отпадают проблемы детонации, и степень сжатия можно повысить даже при использовании низкооктанового топлива. При этом возможно воспламенение бедных смесей с соотношением воздух/топливо, достигающим 27.
При плазменном зажигании электрическая дуга образует высокую концентрацию электрической энергии в ионизованном искровом промежутке достаточно большого объема. При этом в дуге развиваются температуры до 40 000 °C, т. е. создаются условия, аналогичные дуговой сварке.
Реализовать плазменный способ зажигания в двигателе внутреннего сгорания, однако, не так просто. Плазменная свеча зажигания изображена на рис. 93. Под центральным
Рис. 93. Плазмеииаи свеча зажигания:/ — корпус свечи; 2 — изолятор;3 — центральный электрод; 4— камера под электродом; 5 — искровой разряд; 6 — плазменный факелРис. 93. Плазмеииаи свеча зажигания:/ — корпус свечи; 2 — изолятор;3 — центральный электрод; 4— камера под электродом; 5 — искровой разряд; 6 — плазменный факелэлектродом в изоляторе свечи выполнена небольшая камера. При возникновении электрического разряда большой длины между центральным электродом и корпусом свечи газ в камере нагревается до очень высокой температуры и, расширяясь, выходит через отверстие в корпусе свечи в камеру сгорания. Образуется плаз- " менный факел длиной около 6 мм, благодаря чему возникает несколько очагов пламени, способствующих воспламенению и сгоранию бедной смеси.
Рис. 93. Плазмеииаи свеча зажигания:
/ — корпус свечи; 2 — изолятор;
3 — центральный электрод; 4— камера под электродом; 5 — искровой разряд; 6 — плазменный факел
Рис. 93. Плазмеииаи свеча зажигания:
/ — корпус свечи; 2 — изолятор;
3 — центральный электрод; 4— камера под электродом; 5 — искровой разряд; 6 — плазменный факел
Другой тип системы плазменного зажигания использует небольшой насос высокого давления, который подает воздух; к электродам в момент образования дугового разряда. Образующийся при разряде между электродами объем ионизованного воздуха поступает в камеру сгорания.
Эти способы весьма сложны и не применяются в авто
мобильных двигателях. Поэтому был разработан другой метод, при котором свеча зажигания образует постоянную электрическую дугу в течение 30° угла поворота коленчатого вада. В этом случае высвобождается до 20 МДж энергии, что гораздо- больше, чем при обычном искровом разряде. Известно, что если при искровом зажигании не образуется достаточного количества энергии, то смесь не воспламеняется.
Плазменная дуга в сочетании с вращением заряда в камере сгорания образует большую поверхность воспламенения, так как при этом форма и размер плазменной дуги в значительной мере меняются. Наряду с увеличением длительности периода воспламенения это означает
также наличие высокой высвобождаемой для него энергии.
В отличие от стандартной системы во вторичном контуре плазменной системы зажигания действует постоянное напряжение 3000 В. В момент разряда в искровом промежутке свечи возникает обычная искра. При этом сопротивление на электродах свечи уменьшается, и постоянное напряжение 3000 В образует дугу, зажженную в момент разряда. Для поддержания дуги достаточно напряжения около 900 В.
Плазменная система зажигания отличается от стандартной встроенным высокочастотным (12 кГц) прерывателем постоянного тока с напряжением 12 В. Индукционная катушка повышает напряжение до 3000 В, которое далее выпрямляется. Следует указать, что продолжительный дуговой разряд на свече зажигания существенно снижает срок ее эксплуатации.
При плазменном зажигайии пламя распространяется по камере сгорания быстрее, поэтому требуется соответствующее изменение угла опережения зажигания. Испытания системы плазменного зажигания на автомобиле «Форд Пинто» (США) с рабочим объемом двигателя 2300 см3 и автоматической коробкой передач дали результаты, приведенные в табл. 12 [14].
При плазменном зажигании можно осуществить качественное регулирование бензинового двигателя, при
12. Результаты испытаний системы плазмеииого зажигания на автомобиле «Форд Пиито»
Тип системы зажигания
Выброс токсичных веществ, г
Расход топлива, л/100 км
снх
со
мож
городской ис
пытательный цикл
дорожный испытательный цикл
Стандартная
0,172
3,48
1,12
15,35
11,41
Плазменная с оптимальным регулированием угла опережения зажигания
0,160
3,17
1,16
14,26
10,90
Плазменная с оптимальным регулированием угла опережения зажигания и состава смеси
0,301
2,29
1,82
13,39
9,98
котором количество подаваемого воздуха остается неизменным, а регулирование мощности двигателя производится только регулированием количества подаваемого топлива. При применении в двигателе системы плазменного зажигания без изменения регулирования угла опережения зажигания и состава смеси расход топлива уменьшился на 0,9 %, при регулировании угла зажигания — на 4,5 %, а при оптимальном регулировании угла зажигания и состава смеси — на 14 % (см. табл. 12). Плазменное зажигание улучшает работу двигателя особенно при частичных нагрузках, и расход топлива может быть таким же, как и у дизеля.
СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСА ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ
Рост моторизации приносит с собой необходимость проведения мер по охране окружающей среды. Воздух в городах все более загрязняется веществами, вредными для здоровья человека, особенно окисью углерода, несгоревшими углеводородами, окислами азота, соединениями свинца, серы и т. д. В значительной мере это продукты неполного сгорания топлив, применяемых на предприятиях, в быту, а также в автомобильных двигателях.
Наряду с токсичными веществами при эксплуатации автомобилей вредное воздействие на население оказывает и их шум. За последнее время в городах уровень шума возрастал ежегодно на 1 дБ, поэтому необходимо не только приостановить возрастание общего уровня шума, но и добиться его снижения. Постоянное воздействие шума вызывает нервные заболевания, снижает трудоспособность людей, особенно занятых умственной деятельностью. Моторизация приносит шум в ранее тихие отдаленные места. Снижению шума, создаваемого деревообрабатывающими и сельскохозяйственными машинами, к сожалению, до сих пор не уделяется должного внимания. Цепная бензопила создает шум в значительной части леса, что вызывает изменения условий жизни животных и нередко бывает причиной исчезновения их отдельных видов.
Наиболее часто, однако, вызывает нарекания загрязнение атмосферы отработавшими газами автомобилей.
13. Допустимый выброс вредных веществ с отработавшими газами легковых автомобилей согласно законодательству шт. Калифорния, США
Год действия законодательства
Вещество
Допустимый выброс на единицу пробега
1973—1974
снж со
NO$
6,4 г/миля = 2,12 г/км
39 г/миля = 24,3 г/км
3 г/миля = 1,87 г/км
1975
снж со
NOX
3,0 г/миля = 1,87 г/км 15 г/миля = 9,3 г/км
3,1 1/миля = 1,93 г/км
1977 — настоящее время
снж СО NO$
1,5 г/миля = 0,93 г/км
15 г/миля = 9,3 г/км
2 г/миля = 1,24 г/км
* Действующие в настоящее время в шт. Калифорния предписания ограничивают выбросы: СНЖ = 0,39 г/миля (0,244 г/км), СО = = 7,0 г/миля (4,36 г/км), МОЖ = 0,4 г/миля (0,25 г/км). — Примеч. ред.
При оживленном движении отработавшие газы скапливаются у поверхности почвы и при наличии солнечной радиации, особенно в промышленных городах, расположенных в плохо проветриваемых котловинах, образуется так называемый смог *. Атмосфера загрязняется в такой степени, что пребывание в ней вредит здоровью. Сотрудники дорожной службы, стоящие на некоторых оживленных перекрестках, в целях сохранения своего здоровья применяют кислородные маски. Особенно вредна располагающаяся вблизи земной поверхности относительно тяжелая окись углерода, проникающая в нижние этажи зданий, гаражи и уже не однажды приводившая к смертельным случаям.
Законодательные предприятия ограничивают содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей, причем они постоянно ужесточаются (табл. 13).
Предписания - приносят изготовителям автомобилей большие заботы; они также косвенно влияют и на эффективность автомобильного транспорта.
Для полного сгорания топлива можно допустить некоторый избыток воздуха с тем, чтобы обеспечить хорошее смещение с ним топлива. Необходимый избыток воздуха зависит от степени перемешивания топлива с воздухом. В карбюраторных двигателях на этот процесс отводится значительное время, поскольку путь топлива от смесеобразующего устройству до свечи зажигания достаточно большой.
Современный карбюратор позволяет образовать различные виды смеси. Наиболее богатая смесь нужна для холодного пуска двигателя, так как значительная доля топлива конденсируется на стенках впускного трубопровода и сразу в цилиндр не попадает. Испаряется при этом лишь небольшая часть легких фракций топлива. При прогреве двигателя также требуется смесь богатого состава.
При движении автомобиля состав топливовоздушной смеси должен быть бедным, что обеспечит хороший КПД и небольшой удельный расход топлива. Для достижения максимальной мощности двигателя нужно иметь богатую смесь, чтобы полностью использовать всю массу поступившего в цилиндр воздуха. Для обеспечения хороших динамических качеств двигателя при быстром открывании дроссельной заслонки необходимо дополнительно подать во впускной трубопровод некоторое количество топлива, что компенсирует топливо, осевшее и сконденсированное на стенках трубопровода в результате повышения в нем давления.
Для хорошего перемешивания топлива с воздухом следует создать высокую скорость воздуха и его вращение. Если сечение диффузора карбюратора постоянно, то при низких частотах вращения двигателя для хорошего смесеобразования скорость воздуха в нем мала, а при высоких — сопротивление диффузора приводит к уменьшению массы поступающего в двигатель воздуха. Этот недостаток можно устранить, используя карбюратор с переменным сечением диффузора или впрыск топлива во впускной трубопровод.
Существует несколько типов систем впрыска бензина во впускной трубопровод. В наиболее часто применяемых системах топливо подается через отдельную для каждого цилиндра форсунку, благодаря чему достигается равномерное распределение топлива между цилиндрами, устраняется оседание и конденсация топлива на холодных стен- 202
Рис. 94. Система впрыска бензина «Бош К-Джетронию:
/ — впускной патрубок; 2 — рычаг воздушного пластинчатого клапана; 3 — воздушный пластинчатый клапан; 4 — дроссельная заслонка; 5 — окна; 6 — дозирующий золотник; 7 — регулировочный винт; 8 — топливная форсунка; 9 — нижняя камера регулятора; 10 — распределительный клапан; И — сталь- ная мембрана; 12 — седло клапана;. 13 — пружина распределительного клапана; 14 — редукционный клапан; 15 — топливный насос; 16 — топливный бак; 17 — топливный фильтра 18 — регулятор давления топлива; 19 — регулятор подачи дополнительного воздуха; 20 — перепускной клапан топлива; 21 — топливная форсунка холодного пуска; 22 — термостатный датчик температуры воды
ках впускного трубопровода. Количество впрыскиваемого топлива легче приблизить к оптимальному, требуемому двигателем в данный момент. Отпадает необходимость в диффузоре, исключаются возникающие при его прохождении воздухом потери энергии. В качестве примера такой системы подачи топлива можно привести часто применяемую систему впрыска типа «Бош К-Джетроник», уже упоминавшуюся ранее в 9.5 при рассмотрении двигателей с турбонаддувом.
Схема этой системы представлена на рис. 94. Конический патрубок 1, в котором перемещается качающийся на рычаге 2 клапан 3, выполнен так, что подъем клапана пропорционален массовому расходу воздуха. Окна.5 для прохода топлива открываются золотником 6 в корпусе регулятора при перемещении рычага под воздействием поступающего потока воздуха. Необходимые изменения состава смеси в соответствии с индивидуальными особенностями двигателя достигаются формой конического патрубка. Рычаг с клапаном уравновешен противовесом, силы
инерции при колебаниях автомобиля не влияют на клапан.
Расход воздуха, поступающего в двигатель, регулируется дроссельной заслонкой 4. Демпфирование колебаний клапана, а с ним и золотника, возникающих при низких частотах вращения двигателя вследствие пульсаций давления воздуха во впускном трубопроводе, достигается жиклерами в топливной системе. Для регулирования количества подаваемого топлива служит также винт 7, расположенный в рычаге клапана.
Между окном 5 и форсункой 8 размещен распределительный клапан 10, поддерживающий с помощью пружины 13 и седла 12, опирающегося на мембрану 11, постоянное давление впрыска в распылителе форсунки 0,33 МПа при давлении перед клапаном 0,47 МПа.
Топливо из бака 16 подается электрическим бензонасосом 15 через регулятор давления 18 и топливный фильтр 17 в нижнюю камеру 9 корпуса регулятора. Постоянное давление топлива в регуляторе поддерживается редукционным клапаном 14. Мембранный регулятор 18 предназначен для сохранения давления топлива при неработающем двигателе. Это предотвращает образование воздушных пробок и обеспечивает хороший пуск горячего двигателя. Регулятор также замедляет рост давления топлива при пуске двигателя и гасит его колебания в трубопроводе.
Холодный пуск двигателя облегчают несколько устройств. Перепускной клапан 20, управляемый биметаллической пружиной, открывает при холодном пуске сливную магистраль й топливный бак, что снижает давление топлива на торец золотника. Этим нарушается равновесие рычага и одному и тому же количеству поступающего воздуха будет соответствовать больший объем впрыскиваемого топлива. Другим устройством является регулятор подачи дополнительного воздуха 19, диафрагму которого также открывает биметаллическая пружина. Дополнительный воздух необходим для преодоления повышенного сопротивления трения холодного двигателя. Третье устройство —это топливная форсунка 21 холодного пуска, управляемая термостатом 22 в водяной рубашке двигателя, который держит форсунку открытой, пока охлаждающая двигатель жидкость не достигнет заданной температуры.
Оснащение электроникой рассмотренной системы впрыска бензина ограничено минимумом. Электрический бензонасос при остановленном двигателе выключен и,
например, при аварии топливоподача прекращается, что препятствует возникновению пожара в автомобиле. В неработающем двигателе находящийся в нижнем положении рычаг нажимает на расположенный под ним выключатель, который прерывает ток, подаваемый в стартер и нагревательные спирали термостата. Работа форсунки холодного пуска зависит от температуры двигателя и времени его работы.
Если в один цилиндр из впускного трубопровода поступает больше воздуха, чем в другие, то подача топлива определяется условиями работы цилиндра с большим количеством воздуха, т. е. с бедной смесью, чтобы в нем было обеспечено надежное воспламенение. Остальные цилиндры при этом будут работать при обогащенных смесях, что экономически невыгодно и ведет к повышению содержания вредных веществ.
В дизелях смесеобразование более затруднено, так как на смешение топлива и воздуха отводится очень короткое время. Процесс воспламенения топлива начинается с небольшим запаздыванием после начала впрыска топлива в камеру сгорания. В процессе сгорания впрыск топлива все еще продолжается и в таких условиях невозможно достигнуть полного использования воздуха.
В дизелях поэтому должен иметься избыток воздуха и даже при дымлении (что указывает на неполное сгорание смеси) в отработавших газах присутствует неиспользованный кислород. Этсг вызвано плодим перемешиванием капель топлива с воздухом. В центре топливного факела имеется недостаток воздуха, что и приводит к дымлению, хотя в непосредственной близости вокруг факела находится неиспользованный воздух. Частично об этом уже упоминалось в 8.7.
Преимущество дизелей состоит в том, что воспламенение смеси гарантируется и при большом избытке воздуха. Неиспользование всего количества поступившего в цилиндр воздуха при сгорании является причиной относительно небольшой удельной мощности дизеля на единицу веса и рабочего объема, несмотря на его высокую степень сжатия.
Более совершенное смесеобразование имеет место в дизелях с разделенными камерами сгорания, у которых горящая богатая смесь из дополнительной камеры поступает в основную камеру сгорания, заполненную воздухом, хорошо смешивается с ним и сгорает. Для этого требуется
меньшее количество избыточного воздуха, чем при непосредственном впрыске топлива, однако большая охлаждающая поверхность стенок приводит к большим потерям теплоты, что вызывает падение индикаторного КПД.
ОБРАЗОВАНИЕ ОКИСИ УГЛЕРОДА СО И УГЛЕВОДОРОДОВ снх
При сгорании смеси стехиометрического состава должны образоваться безвредные двуокись углерода СО2 и водяной пар, а при нехватке воздуха вследствие того, что часть топлива сгорает неполностью, — дополнительно токсичные окись углерода СО и несгоревшне углеводороды СНЖ.х
Эти вредные для здоровья компоненты отработавших газов можно дожечь и обезвредить. С этой целью необходимо специальным компрессором К (рис. 95) подавать свежий воздух в такое место выпускного трубопровода, где вредные продукты неполного сгорания можно сжечь. Иногда для этого воздух подают непосредственно на горячий выпускной клапан.
Как правило, термический реактор для дожигания СО и СНЖ размещают сразу за двигателем непосредственно на выходе из него отработавших газов. Отработавшие газы М подводятся в центр реактора, а отводятся с его периферии в выпускной трубопровод V. Внешняя поверхность реактора имеет теплоизоляцию-7.
В наиболее нагретой центральной части реактора размещена жаровая камера, нагретая отработавшими газами, где дожигаются продукты
I ।I ।Рис. 95. Термический реактор: М — вход отработавших газов из двигателя: К — компрессор для подачи дополнительного воздуха: V— выход газов; Z — теплоизоляцияРис. 95. Термический реактор: М — вход отработавших газов из двигателя: К — компрессор для подачи дополнительного воздуха: V— выход газов; Z — теплоизоляциянеполного сгорания топлива. При этом высвобождается теплота, поддерживающая высокую температуру реактора.
I ।
I ।
Рис. 95. Термический реактор: М — вход отработавших газов из двигателя: К — компрессор для подачи дополнительного воздуха: V— выход газов; Z — теплоизоляция
Рис. 95. Термический реактор: М — вход отработавших газов из двигателя: К — компрессор для подачи дополнительного воздуха: V— выход газов; Z — теплоизоляция
Несгоревшие компоненты в отработавших газах можно окислить и без горения при помощи катализатора. Для этого к отработавшим газам необходимо добавить вторичный воздух, нужный для окисления, химическую реакцию которого проведет ка-
тализатор. При этом также высвобождается теплота. Катализатором служат обычно редкие и драгоценные металлы, поэтому он весьма дорог.
Катализаторы можно применить в любом типе двигателя, однако они имеют относительно небольшой срок службы. Если в топливе присутствует свинец, то поверхность катализатора быстро отравляется, и он приходит в негодность. Получение высокооктанового бензина без свинцовистых антидетонаторов является достаточно сложным процессом, при котором расходуется много нефти, что при ее дефиците экономически нецелесообразно. Ясно, что дожигание топлива в тепловом реакторе ведет к энергетическим потерям, хотя при сгорании выделяется тепло, которое можно утилизировать. Целесообразно поэтому так организовать процесс в двигателе, чтобы при сгорании в нем топлива образовывалось минимальное количество вредных веществ. В то же время необходимо заметить, что для выполнения перспективных законодательных предписаний применение катализаторов будет неизбежным.
ОБРАЗОВАНИЕ ОКИСЛОВ АЗОТА NO,
Вредные для здоровья окислы азота образуются при высокой температуре горения в условиях стехиометрического состава смеси [151. Уменьшение выброса соединений азота связано с определенными трудностями, так как условия их снижения совпадают с условиями образования вредных продуктов неполного сгорания и наоборот. В то же время температуру сгорания удается снизить введением в смесь какого-либо инертного газа или водяного пара.
Для этой цели целесообразно рециркулировать во впускной трубопровод охлажденные отработавшие газы. Уменьшающаяся вследствие этого мощность требует обогащения смеси, большего открытия дроссельной заслонки, что увеличивает общий выброс вредных СО и СНЖ с отработавшими газами.
Рециркуляция отработавших газов совместно с уменьшением степени сжатия, изменением фаз газораспределения и более поздним зажиганием может снизить содержание ЫОЖ на 80 %.
Окислы азота устраняют из отработавших газов, используя также, и каталитические методы. В этом случае
Рис. 96. Схема двухкомпонентной системы катал итической нейтр а лизании отработавших газов:S — впускной трубопровод; М — двигатель; К — компрессор для подачи дополнительного воздуха; V — выпускной трубопровод; N0x — восстановительный катализатор для нейтрализации окислов азота; СН^ 4- СО — окислительный катализатор для нейтрализации углеводородов н окиси углеродаРис. 96. Схема двухкомпонентной системы катал итической нейтр а лизании отработавших газов:S — впускной трубопровод; М — двигатель; К — компрессор для подачи дополнительного воздуха; V — выпускной трубопровод; N0x — восстановительный катализатор для нейтрализации окислов азота; СН^ 4- СО — окислительный катализатор для нейтрализации углеводородов н окиси углеродаотработавшие газы вначале пропускаются через восстановительный катализатор, в котором происходит снижение содержания NO^ а затем вместе с добавочным воздухом—через окислительный катализатор, где устраняются СО и СНХ. Схема такой двухкомпонентной системы дана на рис. 96.
Рис. 96. Схема двухкомпонентной системы катал итической нейтр а лизании отработавших газов:
S — впускной трубопровод; М — двигатель; К — компрессор для подачи дополнительного воздуха; V — выпускной трубопровод; N0x — восстановительный катализатор для нейтрализации окислов азота; СН^ 4- СО — окислительный катализатор для нейтрализации углеводородов н окиси углерода
Рис. 96. Схема двухкомпонентной системы катал итической нейтр а лизании отработавших газов:
S — впускной трубопровод; М — двигатель; К — компрессор для подачи дополнительного воздуха; V — выпускной трубопровод; N0x — восстановительный катализатор для нейтрализации окислов азота; СН^ 4- СО — окислительный катализатор для нейтрализации углеводородов н окиси углерода
Для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах применяют так называемые
а-зонды, которые могут быть также использованы совместно с двухкомпонентным катализатором. Особенность системы с а-зондом состоит в' том, что добавочный воздух для окисления не подается к катализатору, но а-зонд постоянно следит за содержанием кислорода в отработавших газах и управляет подачей топлива таким образом, чтобы состав смеси всегда соответствовал стехиометрическому. В этом случае СО, СНХ и NOX будут присутствовать в отработавших газах в минимальных количествах.
Принцип работы а-зонда заключается в том, что в узком диапазоне вблизи стехиометрического состава смеси
Рис. 97. Схема и характеристика датчика состава смеси (а-зонда): 1 -• корпус; 2 — слой платины
a = 1 напряжение между внутренней и внешней поверхностью зонда резко меняется, что служит управляющим импульсом для устройства, регулирующего подачу топлива. Чувствительный элемент 1 зонда выполнен из двуокиси циркония, а его поверхности 2 покрыты слоем платины., Характеристика напряжения U, между внутренней и внешней поверхностями чувствительного элемента показаны на рис. 97.
ДРУГИЕ ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Для увеличения октанового числа топлива обычно применяют антидетонаторы, например тетраэтилсвинец. Чтобы соединения свинца не оседали на стенках камеры сгорания и клапанах, используют так называемые выно- сители, в частности, дибромэтил.
Эти соединения поступают в атмосферу с отработавшими газами и загрязняют растительность вдоль дорог. Попадая с пищей в организм человека, соединения свинца вредно влияют на его здоровье. Об осаждении свинца в катализаторах отработавших газов уже упоминалось. В этой связи важной задачей в настоящее время является удаление свинца из бензина.
В бензине содержатся, кроме того, и другие вредные для здоровья человека примеси, например сера. Сернистые соединения, выбрасываемые с отработавшими газами, раздражают органы дыхания и зрения.
Масло, проникающее в камеру сгорания, полностью не сгорает, и в выхлопных газах повышается содержание СО и СНХ. Для исключения этого явления необходимы высокая герметичность поршневых колец и поддержание хорошего технического состояния двигателя.
Сгорание большого количества масла особенно характерно для двухтактных двигателей, у которых оно добавляется к топливу. Отрицательные последствия применения бензомасляных смесей частично смягчаются дозированием масла специальным насосом в соответствии с нагрузкой двигателя. Аналогичные трудности существуют и при применении двигателя Ванкеля.
Вредное воздействие на здоровье человека оказывают и пары бензина. Поэтому вентиляцию картера необходимо осуществлять таким образом, чтобы газы и пары, проникающие в картер из-за плохой герметичности, не поступали в атмосферу. Утечку паров бензина из топливного
бака можно предотвратить адсорбцией и отсасыванием паров во впускную систему. Утечка масла из двигателя и коробки передач, загрязнение автомобиля вследствие этого маслами также запрещены в целях сохранения чистоты окружающей среды.
Уменьшение расхода масла с экономической точки зрения столь же важно, как и экономия топлива, поскольку масла значительно дороже топлива. Проведение регулярного контроля и технического' обслуживания сокращают расход масла из-за возникновения неисправностей двигателя. Течи масла в двигателе могут наблюдаться, например, вследствие плохой герметичности крышки головки блока цилиндров. Из-за утечки масла загрязняется двигатель, что бывает причиной пожара.
Небезопасна утечка масла и вследствие низкой герметичности уплотнения коленчатого вала. Расход масла в этом случае заметно возрастает, и автомобиль оставляет грязные следы на дороге.
Загрязнение автомобиля маслом весьма опасно, и масляные пятна под автомобилем служат поводом для запрещения его эксплуатации.
Масло, вытекающее через уплотнение коленчатого вала, может попасть в сцепление и вызвать его пробуксовку. Однако более негативные последствия вызывает, попадание масла в камеру сгорания. И хотя расход масла при этом относительно невелик, но неполное его сгорание увеличивает выброс вредных составляющих с отработавшими газами. Горение масла проявляется в излишнем дымлении автомобиля, что типично для двухтактных, а также значительно изношенных четырехтактных двигателей.
В четырехтактных двигателях масло проникает в камеру сгорания через поршневые кольца, что особенно заметно при большом износе их и цилиндра. .Основная причина проникновения масла в камеру сгорания состоит в неравномерности прилегания компрессионных колец к окружности цилиндра. Отвод масла со стенок цилиндра осуществляется через прорези маслосъемного кольца и отверстия в его канавке.
Через зазор между стержнем и направляющей впускного клапана масло легко проникает во впускной трубопровод, где имеется разрежение. Это особенно часто наблюдается при использовании масел с малой вязкостью. Предотвратить расход масла через этот узел можно при- 210
менением резинового сальника на торце направляющей клапана.
Картерные газы двигателя, содержащие много вредных веществ, обычно отводятся специальным трубопроводом во впускную систему. Поступая из нее в цилиндр, картерные газы сгорают вместе с топливовоздушной смесью.
Маловязкие масла снижают потери на трение, улучшают механический КПД двигателя и уменьшают расход топлива. Однако не рекомендуется применять масла с вязкостью меньшей, чем предписано нормами. Это может вызвать повышенный расход масла и большой износ двигателя.
Вследствие необходимости экономии нефти сбор и использование отработанного масла становятся все более важными проблемами. Путем регенерации старых масел можно получить значительное количество качественных жидких смазывающих веществ и одновременно предотвратить загрязнение окружающей среды, прекратив сброс отработанных масел в водные нотоки.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ДОПУСТИМОГО КОЛИЧЕСТВА ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
Устранение вредных веществ из отработавших газов — достаточно сложная задача. В больших концентрациях эти компоненты весьма вредны для здоровья. Конечно, невозможно сразу изменить создавшееся положение, особенно в отношении эксплуатируемого парка автомобилей. Поэтому законодательные предписания по контролю за содержанием вредных веществ в отработавших газах рассчитаны на производимые новые автомобили. Эти предписания будут постепенно совершенствоваться с учетом новых достижений науки и техники.
Очистка отработавших газов связана с увеличением расхода трплива почти на 10 %, снижением мощности двигателя и ростом стоимости автомобиля. Возрастает при этом и стоимость технического обслуживания автомобиля. Катализаторы также стоят дорого, так как их компоненты состоят из редких металлов. Срок службы должен быть рассчитан на 80 000 км пробега автомобиля, однако сейчас он еще не достигнут. Используемые в настоящее время катализаторы служат около 40 000 км пробега, и при этом применяется бензин без примесей свинца.
Сложившаяся ситуация ставит под сомнение эффективность жестких предписаний по содержанию вредных примесей, поскольку это вызывает значительный рост стоимости автомобиля и его эксплуатации, а также приводит в итоге к повышенному потреблению нефти.
Выполнение выдвигаемых на перспективу жестких требований к чистоте отработавших газов при современном состоянии бензиновых и дизельных двигателей пока не представляется возможным. Поэтому целесообразно уделять внимание радикальному изменению силовой установки механических транспортных средств.
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ НЕТРАДИЦИОННЫХ ТИПОВ И СХЕМ
Несмотря на постоянно сокращающиеся возможности совершенствования современных поршневых двигателей, большое внимание, по-прежнему, уделяется наиболее широко применяемому четырехтактному рядному бензиновому двигателю внутреннего сгорания. При этом характерно использование богатого опыта разработок современных ДВС, а также стремление улучшить способы их размещения в автомобиле.
С точки зрения повышения КПД двигателя, целесообразно использовать большой объем цилиндра. В этой связи наиболее предпочтителен одноцилиндровый двигатель, обычно применяемый в мопедах и мотоциклах.■ Большим недостатком одноцилиндрового двигателя является его неуравновешенность, особенно поступательно движущихся масс. У малоразмерных двигателей масса поршня невелика и вызываемые ею действующие по оси цилиндра силы инерции, частично могут быть уравновешены противовесами на коленчатом валу. Вращающиеся противовесы вызывают силы инерции, действующие в горизонтальной плоскости, однако при вертикальном положении оси цилиндра мотоцикла они относительно невелики и такой способ уравновешивания двигателя вполне приемлем.
В двигателях с цилиндром большего размера требуется, однако, хорошее уравновешивание сил инерции I и II порядка возвратно-поступательно движущихся масс. Это осуществляется двумя парами противовесов, вращающихся в противоположном направлении, причем для уравновешивания сил инерции II порядка частота враще-
ния противовесов должна быть в 2 раза больше частоты вращения коленчатого вала. Уравновешивание сил инерции I порядка существенно усложняет двигатель, а сил инерции II порядка — неприемлемо с позиции стоимости автомобиля.
Существуют конструкции одноцилиндровых двигателей без кривошипно-шатунного механизма с одним возвратно-поступательно движущимся поршнем. В этом случае для уравновешивания сил инерции поршня необходима другая масса, движущаяся также поступательно в противоположном направлении по той же оси. Это привело к размещению противовеса по оси цилиндра и приводу его кривошипно-шатунным механизмом. В двухтактных двигателях противовес использовался в качестве нагнетателя. Такая схема нашла применение в двигателе мотоцикла DKW и дизелях «Юнкере» (ФРГ).
При размещении обоих поршней по одной оси получается длинный двигатель со сложным кривошипношатунным механизмом. При несоосности поршней, кроме того, возникают неуравновешенные моменты от их сил инерции.
Поэтому гораздо чаще применяют конструкцию двухцилиндрового двигателя с противолежащими цилиндрами (оппозитный двигатель), в которых поршни движутся навстречу друг другу. Условие соосности цилиндров можно выполнить путем применения, например, вильчатого шатуна в одном из цилиндров. При традиционной конструкции шатунов возникающий момент сил инерции I порядка снижают минимизацией величины несоосности цилиндров. Такое решение с успехом применяется в легковых автомобилях особо малого класса («Ситроен», «Татра 12» и др.) и в качестве примера на рис. 98 представлена силовая установка автомобиля «Ситроен 2СУ», в которой использован оппозитный двухцилиндровый бензиновый двигатель воздушного охлаждения с цилиндрами из алюминиевого сплава, имеющими износостойкое покрытие на никелевой основе «Никозил». За вентилятором системы охлаждения расположен масляный радиатор.
Следующее ближайшее число цилиндров двигателя равно трем. До последнего времени такое число цилиндров встречалось только у двухтактных двигателей. В этом случае речь идет не столько об уравновешивании, сколько о трудностях охлаждения двухтактных цилиндров с рабо-
eU(j 5 к
вс
чим объемом более 350 см3. У цилиндров с большим объемом возникает неравномерное поле температур днища поршня, пригорание поршневых колец, большие температурные деформации цилиндра, выпучивание перегородок между цилиндровыми окнами и т. д.
Интерес к трехцилиндровым четырехтактным двигате
лям ПОЯВИЛСЯ В Процессе рис gg Система уравновеши- поиска повышения индика- вания трехцилиндрового дви- торного КПД путем увеличе- гателя «Дайхатсу» ния размера цилиндра. Трех
цилиндровый рядный двигатель плохо уравновешен. Наименее уравновешены моменты сил инерции I порядка. Так как требования к уровню вибраций и шуму в автомобиле постоянно возрастают, то у трехцилиндрового двигателя, применяется дополнительный вал для уравновешивания моментов сил инерции I порядка с помощью вращающихся в противоположные стороны противовесов на коленчатом и уравновешивающем валах. Такой способ уравновешивания трехцилиндрового японского двигателя «Дайхатсу» показан на рис. 99.
В четырехцилиндровом рядном двигателе не уравновешены силы инерции II порядка. Однако они относительно невелики и могут быть погашены до приемлемого значения подвеской двигателя.
У тракторов с четырехцилиндровым двигателем, который образует часть рамы, вибрация двигателя через нее переносится на сиденье тракториста, поэтому силы инерции II порядка необходимо уравновесить.
У автомобилей с, четырехцилиндровым дви^телем, которые по уровню вибраций и шума должны конкуриро- веть с автомобилями, оснащенными шестицилиндровым двигателем, также необходимо уравновесить силы инерции II порядка. На рис. 100 показана такая система уравновешивания, в которой применены два вспомогательных уравновешивающих вала, приводимые коленчатым валом и вращающиеся с удвоенной по отношению к нему частотой вращения. В приводе одного из валов размещена пара шестерен, обеспечивающих различные направления
Рис. 100. Система уравновешивания сил инерции П порядка рядного четырехцилиндревего двигателя
вращения валов. Противовесы расположены в середине двигателя, что не вызывает каких-либо дополнительных неуравновешенных моментов.
Целесообразность применения пятицилиндровых двигателей была рассмотрена ранее; шестицилиндровый рядный двигатель полностью уравновешен. Двигатели с другим расположением цилиндров, например, четырехцилиндровые и шестицилиндровые двигатели с V-образным расположением цилиндров уравновешиваются рассмотренными выше способами. Обычно они применяются в тех случаях, когда к двигателю предъявляются такие требования, как небольшая его длина или высота. Двигатели с звездообразном расположением цилиндров имеют небольшую массу и длину, но их конструкция не подходит для применения в автомобилях вследствие сложного устройства механизма газораспределения, впускного трубопровода, слива масла, доступности при обслуживании и-t. д.
Несколько лет .назад появился роторно-поршневой двигатель Ванкеля, имеющий оригинальную конструкцию с треугольным ротором, вращающимся относительно эксцентрикового вала. Ротор через зубчатую передачу с внутренним зацеплением приводит в движение эксцентриковый вал, частота вращения которого втрое больше частоты вращения ротора. Форма внутренней полости корпуса двухэпитрохоидная, так что между ротором и корпусом образуются три камеры, в которых осуществляется цикл, 216
аналогичный циклу поршневых двигателей. В части уравновешенности речь идет о силах инерции вращающихся масс, которые можно полностью уравновесить противовесами эксцентрикового вала. При создании конструкции этого двигателя возникали трудности с герметизацией уплотняющих пластин ротора, с каналами систем' газообмена, смесеобразованием ,и т. д. Двигатель обладает преимуществами в части уравновешенности, имеет небольшое число деталей и малую массу. Однако у него неблагоприятная с позиции тепловых потерь форма камеры сгорания, что является причиной относительно низкого индикаторного КПД и большого удельного расхода топлива. Отсутствие поступательно движущихся масс, больших поверхностей трения и большого числа подшипников улучшает механический КПД, что несколько компенсирует большие тепловые потери. Следует иметь в виду, что хотя роторно-поршневой двигатель находится в начале своего развития, он уже достаточно хорошо зарекомендовал себя.
В части содержания вредных веществ в отработавших газах роторно-поршневой двигатель имеет как преимущества, так и недостатки. Преимущества состоят в том, что в связи с наличием более низких температур сгорания в роторно-поршневом двигателе образуется меньшее количество NOX. Условия образования СО и СНХ аналогичны условиям в поршневых двигателях. Однако большая поверхность камеры сгорания и смазывание рабочей поверхности ротора добавлением масла в топливо (как у двухтактных двигателей) приводят к повышенному содержанию СО и СНХ, устраняемых в термическом реакторе. Чтобы при характерной для этого двигателя пониженной температуре отработавших газов температура в реакторе сохранялась на нужном уровне, короткие выпускные трубопроводы имеют теплоизоляцию, как это показано на поперечном разрезе двигателя японской фирмы «Тойо Когё» (Япония) на рис. 101.
Дальнейшие разработки двигателя Ванкеля этой фирмой (см. рис. 102) вызывают большой интерес, особенно системы создания расслоенного заряда ROSCO [23] и CISC. При частичной нагрузке воздух подается в камеру не через основной канал, а по малому дополнительному впускному каналу. Это улучшает перемешивание смеси, позволяет получить более бедную смесь и снизить расходы топлива. В системе ROSCO впрыск бензина осущест-
Рис. 101. Роторно-поршневой двигатель японской фирмы «Тойо Когё» с термическим реакторомРис. 101. Роторно-поршневой двигатель японской фирмы «Тойо Когё» с термическим реакторомРис. 102. Схема роторнопоршневого двигателя фирмы «Тойо Когё» с системой расслоения заряда ROSCO:
Рис. 101. Роторно-поршневой двигатель японской фирмы «Тойо Когё» с термическим реактором
Рис. 101. Роторно-поршневой двигатель японской фирмы «Тойо Когё» с термическим реактором
/ — топливная форсунка; 2 — входное отверстие дополнительного впускного канала; 3 — основной впускной канал; 4 — дополнительный впускной канал;
5 — корпус двигателя; 6 —• ротор; 7 — свеча зажигания; 8 — камера; 9 — насос
вляется непосредственно в камеру механическим насосом через установленную в корпусе двигателя форсунку. При таком смесеобразовании в камере сгорания ротора к моменту подачи искры свечой зажигания может образоваться расслоенный заряд, если основная часть воздуха поступает по впускному каналу, а через дополнительный малый канал с тангенциальным входом воздух, вдуваемый с большой скоростью в камеру сгорания, завихри- вает рабочую всмесь в ней.
Как видно, двигатель Ванкеля может быть улучшен, и, по-видимому, он займет надлежащее место в ряду двигателей внутреннего сгорания.
Каждый из типов двигателей имеет свои достоинства и недостатки: один двигатель ценится за достаточно хорошую систему охлаждения, другой — за ее отсутствие вовсе. В одном типе двигателей предпочтение отдается только поступательному движению поршня, в другом — только вращательному. На практике применение находят равно как двенадцатицилиндровый, так и одноцилиндровый четырехтактный двигатели.
ДВУХТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Двухтактный двигатель чаще всего применяется в случаях, когда требуется небольшая максимальная мощность. Малоразмерный одноцилиндровый двухтактный . двигатель воздушного охлаждения имеет очень простую конструкцию и небольшое количество деталей. Предельным случаем может служить двигатель с компрессорным (калильным) зажиганием для авиамоделей.
Самые большие, созданные для судов, поршневые двигатели также являются двухтактными с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом. Низкую частоту вращения этих двигателей выгодно использовать для непосредственного привода корабельных винтов. У этих двухтактных двигателей легко изменяется направление вращения, и они не требуют применения для этого реверс- редуктора.
Двухтактные двигатели применяются в автомобилях гораздо реже, что вызвано более высоким удельным расходом топлива ц повышенной токсичностью отработавших газов. Эти два фактора вызваны организацией процессов газообмена и смазывания двигателя, У малоразмерных Двухтактных двигателей, имеющих не более четырех
Рис. 103. Фазы газораспределения четырехтактного и двухтактного двигателей:
1 — начало впуска; 2 — конец впуска; 3 — начало выпуска; 4 — конец выпуска
цилиндров, применяется кривошипно-камерная продувка. Эта схема проста, не вызывает возрастания массы двигателя и хорошо зарекомендовала себя, однако КПД ее низок и ведет к уменьшению объема свежего заряда в цилиндре. Об этом свидетельствуют сравнительные диаграммы фаз газораспределения четырехтактного а и двухтактного б двигателей, приведенные на рис. 103.
У четырехтактного двигателя выпускной клапан открывается, когда поршень от ВМТ проходит 87 % длины своего полного хода. Впускной клапан закрывается, когда поршень пройдет 90 % длины полного хода от ВМТ. Этим точкам соответствует поворот коленчатого вала приблизительно на 440°. У двухтактного двигателя с симметричными фазами газораспределения режим продувки крайне невыгоден. Выпускное окно открывается перед открытием, а закрывается — уже после закрытия впускного (продувочного) окна, поэтому часть свежего заряда проникает в открытое выпускное окно. Более целесообразно, когда симметричны лишь фазы газораспределения впускного (продувочного) окна. В этом случае выпускное окно открывается после прохождения поршнем 55 % длины его полного хода от ВМТ, а впускное (продувочное) окно закрывается после прохождения 83 % полной длины хода от ВМТ. Таким образом, в четырехтактном двигателе для наполнения цилиндра свежей смесью, и отвода продуктов сгорания необходимо, чтобы коленчатый вал повернулся на 440°, а в двухтактном — только на 135°. Очевидно, что у двухтактного двигателя за 1/3 периода вращения коленчатого вала невозможно достичь такого же
хорошего наполнения цилиндра свежим зарядом, как у четырехтактного двигателя.
Недостатком кривошипно-камерной продувки является очень короткий период впуска, особенно при симметричном открытии третьего (впускного) окна нижней кромкой юбки поршня. Чтобы улучшить процесс газообмена, часто применяют золотник, приводимый коленчатым валом, или пластинчатый обратный клапан в выпускном окне. Несмотря на эти устройства, а также на то, что двухтактный двигатель имеет число тактов рабочего хода в единицу времени в 2 раза больше, чем четырехтактный двигатель, удельные мощности обоих типов двигателей весьма близки.
Главный недостаток двухтактных двигателей заключается в повышенном содержании вредных СО и СНЯ в отработавших газах. Выброс NOX относительно невелик, так как очистка цилиндров двухтактных двигателей от отработавших газов происходит хуже и поэтому в них достигается такой же эффект, как и при рециркуляции отработавших газов в четырехтактном двигателе. Однако низкая температура отработавших газов, сопровождающая малый выброс NOX, при использовании для дожигания СО и СНЖ тепловых реакторов нежелательна. Недостатки способа смазки цилиндров двухтактного двигателя уже были рассмотрены ранее.
Указанные особенности двухтактных двигателей представляют большие препятствия для их использования в автомобилях, поскольку устранения этих недостатков простыми способами пока не найдено.
Было бы несправедливым, однако, не указать на некоторые преимущества этих двигателей, особенно дизельных. Универсальность, например, двигателей типа GMC и ЯАЗ-204 является до настоящего времени практически уникальной.
В этих двигателях применяется механизм газораспределения с двумя выпускными клапанами и подачей свежего воздуха через окна в гильзе цилиндра посредством приводного нагнетателя типа «Рут». Оригинальна и конструкция топливной аппаратуры, состоящей из выполненных в одном корпусе секции топливного насоса и форсунки. Уравновешивание моментов сил инерции первого порядка возвратно-поступательно движущихся масс осуществляется противовесами на распределительном валу (у двухтактного двигателя он вращается с частотой ко-
ленчатого) и на симметрично расположенном уравновешивающем валу. Взаимозаменяемость этих двух валов и возможность поворота головки цилиндра позволяют разместить выпускной трубопровод на левой или правой стороне ряда цилиндров. Направление вращения двигателя можно изменить с помощью замены шестерен привода распределительного вала. Хорошая организация продувки дала возможность достичь в этом дизеле такого же среднего эффективного давления, как и в четырехтактном, и его удельная мощность почти в 2 раза выше мощности четырехтактного дизеля.
Применение турбонаддува и четырех клапанов в цилиндре четырехтактного дизеля снизило преимущества высокой удельной мощности двухтактных дизелей типа GMC и ЯАЗ-204. Турбонаддув двухтактных двигателей является более сложным, так как их отработавшие газы имеют низкую температуру из-за содержания холодного продувочного воздуха. Кроме того, двигатель, при неработающем турбокомпрессоре пускается труднее. Тем не менее в двухтактных дизелях GMC также начали применять турбонаддув. Турбокомпрессор подает воздух в нагнетатель типа «Рут», при этом часть мощности турбо-
Рис. 104. Комбинированный двигатель «Орион» 222
ВоздухВоздух для сгорания
Рис. 105. Схема комбинированного двигателя «Орион»:
1 — центробежный нагнетатель; 2 — газовая турбина: 3 — охлаждающие ребра
компрессора может быть передана через него на коленчатый вал.
Существует ряд интересных конструкций двухтактных двигателей. Примером такой конструкции является экспериментальный двигатель «Орион», США (рис. 104).
Схема этого двигателя дана на рис. 105. Двигатель состоит из поршневого генератора горячих газов и источника механической энергии, в качестве которого служит газовая турбина.
Поршневая часть выполнена в виде двухтактного двигателя со встречно движущимися в цилиндре поршнями. От поршневого двигателя приводится большой центробежный нагнетатель, подающий воздух как для сгорания в цилиндры, так и для охлаждения их воздухом. Для преобразования тепловой энергии в механическую служит газовая турбина, работающая на отработавших газах, смешанных с охлаждающим воздухом. Таким образом, в двигателе «Орион» для выработки механической энергии используется как теплота отработавших газов, так и теплота, отводимая в охлаждающий воздух от ребер. Разработка этого двигателя находится в начальной стадии [16].
ПАРОВЫЕ МАШИНЫ
За время своего развития паровые машины значительно усовершенствовались, поэтому на них было обращено внимание при поиске замены двигателя внутреннего сго-
223
рания. При сгорании в оптимальных условиях продукты сгорания жидкого нефтяного топлива были бы безвредны для здоровья, однако этого не происходит в двигателе внутреннего сгорания. Характеристика крутящего момента поршневой паровой машины очень выгодна для привода автомобилей, но для этого необходимо решить ряд ; задач. Следует напомнить, что паровую машину для ■ автомобилей использовали раньше, чем двигатель вну- - треннего сгорания, и именно автомобиль с паровой маши- - ной первым преодолел рубеж скорости 200 км/ч.
Конструкция безопасного котла не представляет трудностей. Удается ограничить объем котла до объема трубы, имеющей вид спирали, тем самым одновременно решается вопрос о быстром парообразовании. Однако большую проблему представляет вода. На железных дорогах применение воды в локомотивах с котельными установками и непрерывным режимом эксплуатации оправдано. При эксплуатации автомобиля, например, один раз в неделю, замерзающая жидкость доставляет большие хлопоты.: Пропагандист паровых автомобилей Лир предлагает для применения жидкость, которая заменила бы воду, но полной информации о составе этой жидкости не имеется. Независимо от типа применяемой жидкости образующийся пар необходимо конденсировать и вновь использовать. При этом возникают большие трудности, так как . для размещения конденсаторов потребовался бы объем - всего автомобиля, а привод вентилятора требовал бы ; значительной мощности. По этой причине система кон- ■ денсации в локомотивах отсутствовала.
Другие трудности связаны с работоспособностью масла при высокой температуре и с устранением его из сконденсированной жидкости. Было сконструировано несколько типов силовых установок с паровым двигателем и приемлемым содержанием вредных веществ в отработавших газах, причем применялись как поршневая паровая машина, так и паровая турбина.
Дальше всех пошел пионер паровых двигателей Лир, который создал много прототипов. В первую очередь он использовал поршневую паровую машину, позднее ■ испытывал паровую' турбину. Паросиловая установка, предназначенная для размещения сзади в автобусе, по- - казана на рис. 106. Паровая турбина развивает мощность около 160 кВт и работает с полной конденсацией. Некоторые прототипы этой установки вследствие больших
Рис. 106. Схема паросиловой установки «Лир» для автобуса:
7 —• выпускные трубопроводы; 2 — горелки; 3 — теплообменник; 4 — котел; 5 — конденсаторы; 6 — вентиляторы; 7 — трубопровод подвода лара в турбину; 8 — трубопровод отвода пара из турбины в теплообменник; 9 — трубопровод подвода пара из теплообменника в конденсатор; 10 — водяной насос; 11 — водяной бак; 12 — паровая турбина; 23 — генератор; 14 — трубопровод отвода воды из конденсатора в водяной бак; 15 — автоматическая коробка передач; 16 — редуктор; 17 — .редукторы привода вспомогательных агрегатов
размеров конденсаторов работали с частичной конденсацией, т. е. при полной мощности часть пара отводилась в атмосферу. Для легкового автомобиля «Шевроле Монте Карло» также была разработана паросиловая установка, имевшая мощность 50 кВт и размеры 610x660x410 мм.
Однако, как показывает анализ цикла Карно, при использовании паровой машины невозможно достичь удовлетворительного термического КПД силовой установки.
Вследствие этого имеется мало надежд на применение в автомобилях паросиловых установок.
ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
В авиации газотурбинный двигатель полностью заменил поршневой даже в сравнительно небольших установках. Все больше применяется газовая турбина в судостроении и на тепловых электростанциях. От турбины в этих установках требуется отдача максимальной мощности при постоянной частоте вращения, частичные нагрузки при максимальной частоте вращения не исполь-
Рис. 107. Двухвальный газотурбинный двигатель:
о *- схема двигателя; б — зависимость относительной величины крутящего момента от относительной частоты вращения
зуются и нет необходимости в быстром изменении мощности и частоты вращения. Повышается интерес к применению газовой турбины и для привода автомобиля. Ряд особенностей газотурбинного двигателя служат причиной того, что он до сих пор не применяется в автомобилях.
Характер кривой крутящего момента одновального газотурбинного двигателя невыгоден для применения в автомобиле. Момент быстро падает с уменьшением частоты вращения и имеет нулевое значение при снижении максимальной частоты вращения приблизительно на 40 %. Для привода автомобиля пригодна только двухвальная газовая турбина, изображенная на рис. 107. Турбина привода компрессора 3 приводит в движение компрессор /, тяговая турбина 4 размещена на валу отбора мощности. В теплообменнике 5 отработавшие газы подогревают воздух на входе его в камеру сгорания 2, что улучшает термический КПД установки.
Турбинное колесо 4 имеет наибольший момент, когда его частота вращения равна нулю, при этом компрессор с турбинным колесом 3 может вращаться с максимальной частотой вращения. При возрастании частоты вращения тяговой турбины ее крутящий момент изменяется в соответствии с графиком, приведенным на рис. 107, б. Такая характеристика крутящего момента очень выгодна для использования в автомобиле и может исключать использование преобразователя момента.
Другое отрицательное свойство газотурбинного двигателя состоит в том, что его удельный расход топлива при частичной нагрузке быстро возрастает. У автомобиля,' 226
особенно легкового, двигатель в основном работает при частичных нагрузках и полностью загружен лишь в течение очень короткого периода времени. Этим объясняется тот факт, что газотурбинный двигатель начали применять прежде всего на грузовых автомобилях для дальних магистральных перевозок, когда автомобильный двигатель постоянно работает в условиях, близких к полной нагрузке.
Возникают также проблемы размеров газотурбинного двигателя. КПД газовой турбины зависит не от частоты вращения колеса, а от его окружной скорости. Для сохранения оптимальной окружной скорости при необходимости уменьшения максимальной мощности следует уменьшить диаметр колеса, а его частоты вращения увеличить. Однако у турбин с небольшим диаметром колеса зазор между наружным диаметром лопаток и корпусом в связи с наличием допусков на изготовление не уменьшается пропорционально снижению диаметра турбинного колеса, а имеет большее относительное увеличение. Это означает большие потери при перетекании газа через этот зазор и ухудшение КПД турбины. Поэтому газовую турбину невыгодно применять в установках мощностью ниже 100 кВт. Эти недостатки газотурбинного двигателя тормозят его применение в легковых автомобилях.
Следует, однако, рассмотреть и основные преимущества газотурбинного двигателя, к ним относятся:
возможность применения почти всех видов топлива;
небольшое содержание вредных веществ в отработавших газах вследствие большого коэффициента избытка воздуха при сгорании в турбине;
более простое обслуживание, так как отпадает необходимость замены масла, которое не взаимодействует с горячими газами;
минимальные потери трения в подшипниках, малый износ и большая долговечность;
отсутствие вибраций, так как вращающиеся детали можно легко сбалансировать;
малая шумность и возможности ее дальнейшего снижения;
благоприятная характеристика кривой крутящего момента;
легкость холодного пуска двигателя без необходимости обогащения смеси;
высокая удельная мощность на единицу массы;
Рис. 108. Влияние температуры на входе Твх в турбину на КПД газотурбинного двигателя г] и его удельный расход топлива ge.
отсутствие системы охлаждения.
Эти преимущества являются настолько важными, что Sb настоящее время ведутся интенсивные разработки газо- / турбинного двигателя для легковых автомобилей. Основ- ное внимание уделено повышению максимальной температуры газов па входе в турбину. Уже получены хорошие результаты, и имевшаяся первоначально температура газов 900 °C увеличилась до требуемых 1300 °C. На рис. 108 показано влияние температуры на входе в турбину на ее мощность, термический КПД и удельный расход топлива.
Работу в условиях постоянной температуры выше 1300 °C не выдерживает ни один металл, поэтому необходимо применять керамические материалы. Для изготовления лопаток турбины целесообразно использовать нитриды кремния, которые и при указанной температуре имеют достаточную прочность. Недостатки керамических материалов состоят в том, что они не выдерживают резкого изменения температур при холодном пуске и изменении нагрузки. Разработки керамических материалов успешно продолжаются и можно ожидать, что после 1985 г. появятся материалы, которые позволят газотурбинному двигателю иметь такой же удельный расход топлива, как у дизеля.
Для снижения удельного расхода топлива в газовой турбине используют вращающийся теплообменник. Он представляет собой диск из пористого керамического материала, приводимый от двигателя и вращающийся с очень низкой частотой вращения. Отработавшие газы из турбины проходят через этот диск и нагревают его. Поворачиваясь, нагретая часть диска подходит к отверстиям трубопровода, ведущего от компрессора в камеру 228
сгорания, и воздух, проходя через диск в противоположном направлении, нагревается. Теплота, которая была бы отведена из двигателя с отработавшими газами, используется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания. Трудности состоят в герметизации диска теплообменника, необходимой для предотвращения потерь теплоты при перемещении диска от одного трубопровода к другому. Негерметичность современных теплообменников составляет сейчас лишь 2 % от величины, наблюдавшейся у их первых прототипов.
Хорошие динамические характеристики двухвальной газовой турбины обеспечиваются регулируемым направляющим аппаратом, т. е. поворотными направляющими лопатками перед вторым турбинным колесом. Привод лопаток — гидравлический, управляемый электронным устройством, которое осуществляет также контроль безопасности работы турбины при возникновении неисправностей в ней или в некоторых из ее деталей.
При резком отпускании педали управления двигателем поворотные лопатки перед турбиной устанавливаются в положение торможения и на турбине возникает отрицательный момент, в результате действия которого частота вращения тяговой турбины быстро снижается.
В качестве примера на рис. 109 представлен схематичный разрез турбины, разработанной фирмой «Мерседес-
Рнс. 109. Схема газотурбинного двигателя «Мерседес-Бенц» дли легковых автомобилей:
1 — воздушный фильтр; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — турбина привода компрессора; 5 — тяговая турбина с регулируемым направляющим аппаратом; 6 — вращающийся керамический теплообменник; 7 ■=■ привод вспомогательных агрегатов
Бенц» для большого легкового автомобиля. Турбина выполнена по двухвальной схеме с вращающимся теплообменником. Достигнутая мощность 94 кВт, наибольшей крутящий момент 332 Нм при заторможенном вале тяговой турбины. Степень сжатия одноступенчатого радиального компрессора равна при этом 4, температура на входе в турбинное колесо достигает 1252 °C.
Расчетная мощность этого двигателя составляет ПО кВт при частоте вращения вала первой турбины 60 000—65 000 мин-1, максимальный крутящий момент 550 Нм. Двигатель рассчитан на работу при температуре поступающих из камеры сгорания газов на вход в турбину около 1350 °C. Диаметр колеса компрессора составляет 180—185 мм, колеса первой турбины 165 мм, второй — 170—175 мм. На основе характеристики этого двигателя были проведены расчеты расхода топлива автомобилем массой 1600 кг, оснащенного таким двигателем. При скорости 90 км/ч, расчетный расход топлива равен 5,1 л/100 км, при скорости 120 км/ч — 6,7 л/100 км, в городском цикле согласно стандарту ДИН 70030 расход топлива составил 14,2 л/100 км. Турбина совместно с воздушным фильтром и приводом вспомогательных агрегатов имеет массу 240 кг, длину 770 мм, ширину 650 мм, высоту 550 мм. При проведении расчетов площадь фронтальной проекции автомобиля считалась равной 2 м2, а значение коэффициента сопротивления воздуха сх — 0,3.
Другая турбина, разработанная фирмой «Фольксваген», имеет сходную концепцию и развивает мощность 110 кВт. Степень сжатия компрессора 4,5, расход воздуха 0,84 кг/с. Температура газа на входе в турбину равна 1110 °C, минимальный удельный расход топлива составляет 290 г/(кВт.ч), расход топлива при 30 %-ной нагрузке равен 330 г/(кВт.ч). Масса турбины 210 кг. Расход топлива автомобилем модели «Ро 80» массой 1700 кг в городском цикле составил 15,3 л/100 км, на шоссе — 9,4 л/100 км, а в среднем — 12,6 л/100 км. Окружная скорость колеса компрессора с загнутыми назад лопатками составляет 513 м/с, максимальная частота вращения компрессора равна 63 700 мин-1, тяговой турбины — 52 200 мин-1. На входе в компрессор имеется регулируемый направляющий аппарат в виде поворотных лопаток, которые позволяют снизить расход топлива при частичных нагрузках и на холостом ходу.
Состояние развития в области газовых турбин в 1981 г. показывало, что достигнут заметный рост долговечности турбин мощностью выше 100 кВт, хотя по этому параметру турбины все еще отстают от двигателей внутреннего сгорания. Большое преимущество турбины состоит в том, что она может работать на заменителях нефтяного топлива. Дальнейшее-развитие газотурбинных двигателей зависит от применения новых керамических материалов для рабочего колеса и направляющего аппарата турбины, ее теплообменника и камеры сгорания. При использовании в автомобиле двухвального газотурбинного двигателя необходимо после тяговой турбины применить редуктор и многоступенчатую автоматическую коробку передач. При этом использование трансформатора крутящего момента после турбины не требуется.
ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА
Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы, поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением — нагревался. Схема и принцип -действия такого двигателя показаны на рис. ПО.
Рис. 110. Схема и принцип действия двигателя Стирлинга:
— цилиндр; 2 — охлаждающая рубашка; 3 =• рабочий поршень; 4 — вы- теснитель; 5 * шток вытеснителя
В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2, а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень Д уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4, который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком 5, проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.
В положении а поршень находится в НМТ и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ.
После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.
В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низкий КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. Термический КПД< который зависит, как говорилось ранее, от разницы.
Рис. 111. Схема двигателя- Стирлинга с регенератором и ромбическим кривошипношатунным механизмом:
7\— вытеснитель; 2 — рабочий поршень; 3 — радиатор; 4 — регенератор; 5 — подогреватель с форсункой; 6 — трубки подогревателя; 7 — вход воздуха в подогреватель; 8 —выход отработавших газов из подогревателя
максимальной и минимальной температур ра- бочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.
Двигатель Стирлинга был значительно усовершенствован фирмой
«Филипс» (Нидерланды). Прежде всего был применен
внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. После
довательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту
воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только улучшается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания. Описанная конструктивная схема двигателя показана на рис. 111.
Поршень 2 является рабочим, он передает давление воздуха на кривошипно-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верх-
ней части цилиндра в нижнюю. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8.
В положении а воздух сжат й при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается сначала в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель / начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть своей теплоты, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже. В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.
Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому цилиндр работает без выхлопа. Для подогрева можно использовать любой источник тепла. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого содержания вредных веществ.
Преимущество двигателя Стирлинга заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве как на подводных лодках, так и на спутниках. При использовании теплового аккумулятора с LiF (см. гл. 21) теплота.
Рис. 112. Соединение теплового аккумулитора тепла с головкой цилиндра двигатели Стирлинга:
1 — резервуар с LiF; 2 — жидкий натрий; 3 — нагревательная спираль;
4 — теплоизоляция
подводится к двигателю по теплопроводу, как это показано на рис. 112.
В нижней части рис. 111 показан ромбический механизм привода, который управляет движением обоих поршней. Для привода используются два коленчатых вала, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Концы штока вытеснителя / и пустотелого штока поршня 2 через отдельные шатуны соединены с обоими коленчатыми валами. Если кривошипы обоих коленчатых валов находятся в верхнем положении и движутся из положения а в положение б, то шатуны рабочего поршня 2 находятся вблизи ВМТ и он немного перемещается около ВМТ. Шатуны вытеснителя, перемещающегося в этой фазе цикла, движутся вниз и поршень также движется с наибольшей скоростью из положения а в положение б.
Противоположное направление вращения двух коленчатых валов позволяет разместить на них противовесы, необходимые для уравновешивания сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательно движущихся масс, которые существуют у одноцилиндрового и рядных двигателей.
Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковые силы. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с хорошим КПД необходимо высокое рабочее давление.
Рис. 113. Зависимость индикаторного КПД щ двигателя Стирлинга от его удельной литровой мощности при различных видах рабочего тела. Цифры на кривых — частота вращения двигателя в мин'1
У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.
Чтобы штоки не.передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.
Зависимость индикаторного КПД гц от удельной литровой мощности Муд одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 165 кВт показана на рис. 113. Температура в подогревателе равна 700 °C, охлаждающей жидкости — 25 °C. Рабочее давление газа составило 11 МПа.
На диаграмме показаны зависимости для трех видов рабочего тела: воздуха, гелия и водорода. Точки с числами на кривых обозначают соответствующую частоту вращения (в мин-1). Видно, что наибольшие значения КПД достигаются при низких значениях удельных мощностей. Заметно также большое различие показателей двигателя при использовании вместо воздуха водорода.
Высокое давление рабочего тела, действующее в двигателе Стирлинга, требует наличия толстых стенок картера и цилиндра. При применении водорода в качестве рабочего тела масло не должно попадать в рабочее пространство
и поэтому необходимо иметь высокогерметичное уплотнение штока поршня. Хорошо зарекомендовало себя цилиндрическое диафрагменное уплотнение в сочетании с масляной подушкой (рис. 114). Диаметры d и d2 выбраны так, чтобы объем масла под диафрагмой сальника не изменялся при перемещении штока. Маслосъемное поршневое кольцо С выполняет функцию насосного элемента, а регулятор 7? поддерживает давление масла под диафрагмой на уровне среднего давления газа в цилиндре.
Схематический поперечный разрез двигателя Стирлинга с'ромбическим механизмом приведен на рис. 115. Это двигатель первого поколения, имеющий картер с высоким избыточным давлением. Двигатель Стирлинга постоянно совершенствуется и его четырехцилиндровая модель второго поколения уже имеет поршень двойного действия. Соединение горячей верхней камеры одного цилиндра с холодной камерой под поршнем соседнего цилиндра позволяет достичь необходимого изменения объема без отдельного поршня-вытеснителя. У четырехцилиндрового двигателя сдвиг между кривошипами поршней соседних цилиндров составляет 90°, что весьма нежелательно.
Схема соединения соседних цилиндров с таким расположением кривошипов показана на рис. 116. Соединительные трубопроводы связывают горячую камеру, подогреватель, регенератор, радиатор и холодную камеру. Два коленчатых вала вращаются в одном направлении
Рис. 114. Уплотнение штока поршня: С — насосное кольцо; R — регулятор давленияРис. 114. Уплотнение штока поршня: С — насосное кольцо; R — регулятор давленияи связаны с поршнями через крейцкопфный механизм. В нижней части рис. 116 на диаграммах жирной линией обозначены фазы цикла, соответствующие положениям 1—4 поршней. Для привода поршней используется или четырехопорный коленчатый вал. (двигатели шведской фирмы «Юнайтед Стирлинг») или же наклонная шайба(двигатель «Филипс 4-2151) Д»),
Рис. 114. Уплотнение штока поршня: С — насосное кольцо; R — регулятор давления
Рис. 114. Уплотнение штока поршня: С — насосное кольцо; R — регулятор давления
Рис. 115. Схематический разрез одноцилиндрового двигателя Стирлинга:
— выход воздуха из подогревателя; 2 — кольцевая камера сгорания; 3 — горячая камера цилиндра; 4 — вход воздуха в подогреватель; 5 — поршень- вытеснитель; 6 — цилиндр; 7 — камера сжатия (холодная камера) цилиндра;
— шток поршня-вытесннтеля; 9 — рабочий поршень; 10 — шток рабочего поршня; // — траверса рабочего поршня; 12 — шатун рабочего поршня; 13 —- шатун поршня-вытеснителя; 14 — траверса поршня-вытесинтеля; 15 — топливная форсунка; 16 — горелка; 17 — подогреватель; 18 — трубки подогревателя; 19 — ребра цилиндра; 20 — регенератор; 21 — трубки радиатора; 22 — камера противодавления; 23 — противовес; 24 — приводная шестерня; 25 коленчатый вал
Рис. 116. Схема работы двигателя Стирлинга с поршнем двойного действия:
Л — горячая камера; Б — подогреватель; В — регенератор; Г — радиатор; Д — холодная камера
На рис. 116 показаны последовательные этапы J— 2 — сжатие холодного газа в холодной камере; 2—3 — перемещение сжатого воздуха в горячую камеру — рабочий ход; 3—4 — расширение-охлаждение газа при поступлении в холодную камеру — рабочий ход; 4—1 — перемещение газа в холодную камеру.
В рядном двигателе соединительный канал между четвертым и первым цилиндрами имеет большую длину и объем, поэтому используются двигатели с V-образным или звездообразным расположением цилиндров. В обоих случаях все четыре цилиндра расположены близко друг от друга, а их верхние части (головки) образуют группы, обогреваемые общим котлом. Теплоизоляция такой конструкции также отличается простотой.
Фирма «Филипс» внесла в двигатель Стирлинга много интересных изменений. Для первых регенераторов использовались мелкие сита из тонкой медной проволоки, в дальнейшем они были заменены блоком из пористой керамики. Материал регенератора должен иметь большую удельную теплоемкость и выдерживать резкие изменения температуры. Поэтому регенератор должен быть разделен на несколько меньших элементов. Пористый материал легко аккумулирует и отдает теплоту и позволяет благодаря этому обеспечить работу двигателя с частотой вращения до 4000 мин*1.
Рис. 115. Схематический разрез однойилиидрдвого двигателя Стирлинга:
~* выход воздуха из подогревателя; 2 — кольцевая камера сгорания; 3 •• горячая камера цилиндра; 4 — вход воздуха в подогреватель; 5 —- поршень- вытеснитель; 6 — цилиндр; 7 — камера сжатия (холодная камера) цилиндра;
— шток поршня-вытеснителя; 5 — рабочий поршень; 10 — шток рабочего поршня; П —- траверса рабочего поршня; 12 — шатун рабочего поршня;
13 — шатун поршня-вытесиителя; 14 — траверса поршия-вытесинтеля; 15 — топливная форсунка; 16 — горелка; 17 — подогреватель; 18 -— трубки подогревателя; 19 — ребра цилиндра; 20 — регенератор; 21 — трубки радиатора; 22 — камера противодавления; 23 — противовес; 24 — приводная шестерня; 25 » коленчатый вал
Рис. 116. Схема работы двигателя Стирлинга с поршнем двойного действия:'
А — горячая камера; Б -— подогреватель; В — регенератор; Г — радиатор; Д — холодная камера
На рис. 116 показаны последовательные этапы- I— 2 — сжатие холодного газа в холодной камере; 2—3 — перемещение сжатого воздуха в горячую камеру — рабочий ход; 3—4 — расширение-охлаждение газа при поступлении в холодную ’ камеру — рабочий ход; 4—1 — перемещение газа в холодную камеру.
В рядном двигателе соединительный канал между четвертым и первым цилиндрами имеет большую длину и объем, поэтому используются двигатели с V-образным или звездообразным расположением цилиндров. В обоих случаях все четыре цилиндра расположены близко друг от друга, а их верхние части (головки) образуют группы, обогреваемые общим котлом. Теплоизоляция такой конструкции также отличается простотой.
Фирма «Филипс» внесла в двигатель Стирлинга много интересных изменений. Для первых регенераторов использовались мелкие сита из тонкой медной проволоки, в дальнейшем они были заменены блоком из пористой керамики. Материал регенератора должен иметь большую удельную теплоемкость и выдерживать резкие изменения температуры. Поэтому регенератор должен быть разделен на несколько меньших элементов. Пористый материал легко аккумулирует и отдает теплоту и позволяет благодаря этому обеспечить работу двигателя с частотой вращения до 4000 мин-1.
Рис. 115. Схематический разрез одноцилиндрдвого двигателя Стирлинга:
1 -• выход воздуха из подогревателя; 2 — кольцевая камера сгорания; 3 ^ горячая камера цилиндра; 4 — вход воздуха в подогреватель; 5 — поршень- вытеснитель; 6 — цилиндр; 7 — камера сжатия (холодная камера) цилиндра;
8 — шток поршня-вытесннтеля; 9 — рабочий поршень; 10 — шток рабочего поршня; И — траверса рабочего поршня; 12 — шатун рабочего поршня; 13 — шатун поршня-вытеснителя; 14 — траверса поршня-вытеснителя; 15 — топливная форсунка; 16 — горелка; 17 — подогреватель; 18 — трубки подогревателя; 19 — ребра цилиндра; 20 — регенератор; 21 — трубки радиатора; 22 — камера противодавления; 23 — противовес; 24 — приводная шестерня; 25 =• коленчатый вал
Рис. 116. Схема работы двигателя Стирлинга с поршнем двойного действия:
А — горячая камера; Б — подогреватель; В — регенератор; Г — радиатор; Д — холодная камера
На рис. 116 показаны последовательные этапы* 1— 2 — сжатие холодного, газа в холодной камере; 2—3 — перемещение сжатого воздуха в горячую камеру — рабочий ход; 3—4 — расширение-охлаждение газа при поступлении в холодную камеру — рабочий ход; 4—1 — перемещение газа в холодную камеру.
В рядном двигателе соединительный, канал между четвертым и первым цилиндрами имеет большую длину и объем, поэтому используются двигатели с V-образным или звездообразным расположением цилиндров. В обоих случаях все четыре цилиндра расположены близко друг от друга, а их верхние части (головки) образуют группы, обогреваемые общим котлом. Теплоизоляция такой кон- • струкции также отличается простотой.
Фирма «Филипс» внесла в двигатель Стирлинга много интересных изменений. Для первых регенераторов использовались мелкие сита из тонкой медной проволоки, в дальнейшем они были заменены блоком из пористой керамики. Материал регенератора должен иметь большую удельную теплоемкость и выдерживать резкие изменения температуры. Поэтому регенератор должен быть разделен на несколько меньших элементов. Пористый материал легко аккумулирует и отдает теплоту и позволяет благЪ- даря этому обеспечить работу двигателя с частотой вращения до 4000 мин-1.
механизм испытываетмеханизм испытываетотклонений от этого давления, а также действие инеротклонений от этого давления, а также действие инер
механизм испытывает
механизм испытывает
отклонений от этого давления, а также действие инер
отклонений от этого давления, а также действие инер
Рис. 117. Изменение крутящего момента по углу поворота коленчатого вала в четы- рехцилиидровом бензиновом двигателе (Л) и двигателе Стирлинга с поршнем двойного действия (5) а
Мощность двигателя зависит от среднего рабочего давления. У двигателя «Филипс» это давление составляло около. 20 МПа. Чтобы избежать прижатия поршня к стенке цилиндра, был применен уже упомянутый ромбический механизм и, кроме того, под рабочим поршнем была образована камера, в которой поддерживалось среднее рабочее давление газа. В этих условиях кривошипно-шатунный нагрузки вследствие небольших
ционных сил, поскольку давление газов в цилиндре меняется незначительно. На рис. 117 приведены мгновенные значения относительного крутящего момента 7ИТ/Мср двигателя Стирлинга и дизельного двигателя за один оборот коленчатого вала.
Значительные трудности возникают при регулировании мощности двигателя Стирлинга. Изменение мощности, происходящее в результате изменения количества подаваемого в подогреватель топлива, незначительно. Более заметного результата можно добиться при изменении давления или количества рабочего тела. Этот способ регулирования мощности используется в автомобильном двигателе Стирлинга. Для уменьшения мощности часть газа из цилиндров перепускается в резервуар низкого давления; для увеличения мощности газ подается в цилиндры из резервуара высокого давления, куда он предварительно перекачивается специальным компрессором из резервуара низкого давления. У двигателей с поршнем двойного действия для снижения мощности газ перепускается из верхней части поршня в нижнюю через специальный канал. Переход от полной мощности к холостому ходу длится 0,2 с; обратный процесс занимает около 0,6 с.
Чтобы потери на трение газа при прохождении его через узкие каналы регенератора и радиатора были не-
большими, применяют гелий, а также пытаются использовать водород. Для уменьшения размеров и массы четыре цилиндра с поршнями двойного действия в двигателе второго поколения размещаются как показано на рис. 119. Вместо коленчатого вала применен привод с помощью наклонных шайб. Наличие высокого давления газов по обе стороны поршня обеспечивает передачу на приводную шайбу только небольшой разницы давлений. Поскольку в двигателе Стирлинга вся отводимая теплота передается в охлаждающую жидкость, то радиатор этого двигателя должен быть в 2 раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.
В качестве примера рассмотрим два автомобильных двигателя Стирлинга. Четырехцилиндровый двигатель первого поколения с ромбическим механизмом, изображенный на рис. 118, имеет диаметр цилиндра 77,5 мм, ход поршня 49,8 мм (рабочий объем 940 см3), развивает мощность 147 кВт при 3000 мин-1 и среднем давлении в цилиндре порядка 22 МПа. Температура головки цилиндра поддерживается около 700 °C, а охлаждающей жидкости — на уровне 60 °C. Масса сухого двигателя составляет 760 кг. Холодный пуск и прогрев двигателя до дости-
Рнс. 118. Четырехцилиндровый рядиый двигатель Стирлинга с ромбическим кривошипно-шатунным механизмом
Рис. 119. Четырехцилиндровый бес- шатунный двигатель Стирлинга с поршнем двойного действия и вращающейся наклонной шайбойРис. 119. Четырехцилиндровый бес- шатунный двигатель Стирлинга с поршнем двойного действия и вращающейся наклонной шайбойжения температуры головки цилиндра 700 °C длятся около 20 с. При, температуре воды 55 °^ индикаторный КПД двигателя на испытательном стенде достиг 35 % . Удельная мощность 156 кВт/дм3, а удельная масса на единицу мощности 5,2 кг/кВт.
Рис. 119. Четырехцилиндровый бес- шатунный двигатель Стирлинга с поршнем двойного действия и вращающейся наклонной шайбой
Рис. 119. Четырехцилиндровый бес- шатунный двигатель Стирлинга с поршнем двойного действия и вращающейся наклонной шайбой
Схематический разрез двигателя Стирлинга второго поколения модели «Филипс 4-215 ДА», предназначенного для легкового автомобиля, изображен на рис. 119. Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель, и его мощность равна 127 кВт. Четыре цилиндра с поршнями двойного действия рас
положены вокруг оси приводного вала с наклонной шайбой. Котел подогревателя, общий для всех четырех цилиндров, имеет одну форсунку. На автомобиле «Форд Торино» (США) расход топлива с этим двигателем был на 25 % ниже, чем с бензиновым V-образным 8-цилиндровым двигателем. Содержание МОЖ в отработавших газах системы подогрева благодаря применению их рециркуляции было намного меньше установленной нормы.
Диаметр цилиндра двигателя «Филипс 4-215 ДА» —■ 73 мм, ход поршня 52 мм. Мощность двигателя 127 кВт при частоте вращения 4000 мин-1. Температура в подогревателе (температура головок цилиндров) равна 700 °C, а охлаждающей жидкости — 64 °C.
Шведская фирма «Юнайтед Стирлинг» создала свой двигатель Стирлинга таким образом, чтобы можно было в наибольшей степени использовать детали, серийно выпускаемые автомобильной промышленностью. Используются обычный коленчатый вал и шатун, который совместно с крейцкопфом преобразует во вращательное движение вала поступательное движение поршня двой-
ного действия. Разрез этого четырехцилиндрового V-образ- ного двигателя изображен на рис. 120. Ряды цилиндров расположены под небольшим углом, головки цилиндров образуют общую группу, подогреваемую одной горелкой.
Предполагаемая удельная масса этого двигателя равна 2,4 кг/кВт, что можно сравнить с показателями очень хорошего малоразмерного высокооборотного дизеля. Удельная масса двигателей Стирлинга уменьшилась с 6,1- 7,3 кг/кВт до 4,3 кг/кВт и постоянно снижается.
Производство двигателя Стирлинга требует технологии, совершенно отличной от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что будет тормозить его внедрение в производство. Однако разработки таких двигателей продолжаются, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой чистоты отработавших газов, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эту проблему удастся решить. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно й тихо, напоминая паровую машину. Однако большое количество отводимой теплоты требует новых решений в обла
сти систем охлаждения.
Большой прогресс в двигателях Стирлинга достигнут при создании двигателя «Филипс 4-215 DAd. Двигатель предназначен для применения в легковых автомобилях и занимает в них столько же места, сколько и обычный бензиновый V-образный двигатель равной мощ-
Рис. 120. Четырехцилиндровый V-образный двигатель Стирлинга фирмы «Юнайтед Стирлинг»:
1 — подогреватель; 2 — трубки подогревателя; 3 — теплообменник; 4 — генератор; 5 — радиатор
мости. Масса двигателя «Филипс 4-215 DA» равяа 448 кг и при максимальной мощности 127 кВт его удельная масса составляет 3,5 кг/кВт. Индикаторный КПД этого двигав теля при использовании в качестве рабочего тела водорода* под давлением 20 МПа равен 35 %.
Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем в условиях городского движения на 25 % меньше, чем в случае обычного бензинового двигателя. Регулирование мощности двигателя производится изменением количества и давления рабочего тела.
Плотность водорода в 14 раз ниже плотности воздуха, а его теплоемкость также в 14 раз выше теплоемкости воздуха. Это положительно сказывается на гидравлических потерях, особенно в регенераторе, и в целом ведет к росту КПД двигателя (см. рис. 113).
ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ
В ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ
Использовать всю эффективную мощность двигателя на ведущих колесах не представляется возможным, поскольку она частично теряется при передаче ее трансмиссией. Об этом уже говорилось выше, например, в 3.7, а также в других параграфах. Эти потери нельзя не учитывать, так как они заметно влияют на расход топлива. Потери можно уменьшить оптимальным распределением передаточных чисел трансмиссии и применением повышающей передачи для обеспечения постоянной оптимальной нагрузки двигателя х. Наименьшими потерями обладает механическая шестеренчатая коробка передач, но она требует частого их переключения. Автоматическая коробка передач предоставляет водителю возможность уделять больше внимания управлению автомобилем, поскольку в условиях интенсивного движения, особенно в городе,' водитель часто выбирает передачу в коробке неверно, чем увеличивает расход топлива.
Совершенствование компоновочных решений автомобиля влияет на эволюцию коробок передач. В целях
Оптимизация передаточных отношений трансмиссии мало влияет на ее КПД, а введение повышающей передачи даже снижает его. Основная причина снижения расхода топлива при использовании трансмис-: снй с оптимальными передаточными числами лежит в переводе двигателя в режим работы с более высоким КПД. — Примеч. ред.
244
улучшения использования пространства кузова двигатель часто устанавливают поперек автомобиля. При этом силовой агрегат должен иметь небольшую длину, и от коробки передач зависит. возможность его размещения между передними управляемыми колесами. Менее всего отвечает такой компоновке автоматическая коробка передач, Поэтому конструкторы постоянно ищут приемлемое решение этой проблемы, особенно острой для автомобилей малого и среднего классов.
Автоматическое переключение передач под нагрузкой требует соответствия частоты вращения двигателя и скорости движения автомобиля, чтобы при переключении передач не возникали рывки автомобиля. Обычно это предотвращают применением гидромуфты или гидротрансформатора. Однако, чем больше пробуксовка в этих агрегатах трансмиссии, тем больше потери энергии в них, поэтому ищут новые, более простые и эффективные решения.
В частности, фирма «Фиат» испытывает новую коробку передач с двумя промежуточными валами, которые позволяют значительно сократить ее длину. Для переключения передач в каждой ступени применено специальное сцепление с гидравлическим включением, что, позволяет осуществлять автоматическое переключение передач, управляемое электронным устройством. При этом не требуется большого пространства для размещения коробки передач и устройства управления ею.
Фирма «Отомотив Продакте» (АД), США, также работает над трехвальной 6-ступенчатой коробкой передач, которая переключается двумя фрикционными сцеплениями
Рис. 121. Зависимость расхода топлива автомобилем с шестнступен- чатой коробкой передач от включенной передачи (/—VI);
1 = идеальное передаточное число
с гидравлическим приводом. Зависимость расхода топлива от скорости автомобиля при его движении по горизонтальному шоссе с идеальной трансмиссией показана на рис. 121 [24]. Работы в области автомобильных трансмиссий в настоящее время идут в направлении создания бесступенчатой трансмиссии с высоким КПД.
ГИДРОМУФТЫ И ГИДРОТРАНСФОРМАТОРЫ
Гидромуфта открыла путь к созданию автоматической коробки передач. Сама по себе она не может увеличивать передаваемый момент, но ее пробуксовка уменьшает рывки автомобиля при переключении передач.
Поскольку передаваемый момент при низкой частоте вращения быстро убывает по мере ее снижения, то при минимальной частоте вращения на холостом ходу двигателя гидромуфта выключена. В условиях городского движения при наличии гидромуфты не требуется постоянно включать и выключать передачу в коробке, а достаточно при включенной передаче «сбросить газ», т. е. отпустить педаль управления двигателем, а при новом разгоне — вновь лишь нажать на нее. Чтобы переход от выключенного положения гидромуфты при холостом ходе к режиму передачи ею максимального крутящего момента с малой пробуксовкой был по возможности коротким, между двумя колесами гидромуфты помещают отражающую пластину.
КПД гидромуфты зависит от величины ее буксования. Если пробуксовка гидромуфты составляет 40 %, то ее КПД равен лишь 60 %, и остальная энергия превращается в тепло, что приводит к росту расхода топлива. Но без буксования гидромуфта не может осуществлять передачу момента, так как только при пробуксовке жидкость в муфте приходит в движение. В оптимальных условиях КПД гидромуфты равен 97 %. Чтобы не вызывать увеличение расхода топлива на режимах движения, когда потребность использования сцепления отпадает, применяют также фрикционное сцепление, блокирующее работу гидромуфты.
Гидротрансформатор выполняет аналогичную гидромуфте функцию, отличаясь от нее тем, что между насосным и турбинным колесами в нем размещено также одно или более реактивных колес, соединенных с картером через муфту свободного хода. При необходимости увеличить
ч,%ч,%Рис. 122. Схема (а) и характеристика (б) трехступенчатого гидротрансформатора:Рис. 122. Схема (а) и характеристика (б) трехступенчатого гидротрансформатора:свободного хода;свободного хода;2 — коэффициент трансформа-2 — коэффициент трансформа-/ — блокируемые муфты
ч,%
ч,%
Рис. 122. Схема (а) и характеристика (б) трехступенчатого гидротрансформатора:
Рис. 122. Схема (а) и характеристика (б) трехступенчатого гидротрансформатора:
свободного хода;
свободного хода;
2 — коэффициент трансформа-
2 — коэффициент трансформа-
ЦИИ^р-
момент реактивное колесо стопорится, в других случаях муфта свободного хода расцепляется и реактивное колесо вращаетсй вместе с турбинным колесом гидротрансформатора. Под воздействием реактивных колес гидротрансформатор может увеличить момент и таким образом позволяет работать с меньшим количеством ступеней коробки передач. При высоких оборотах и небольшом буксовании гидротрансформатор работает как гидромуфта.
Зависимость КПД гидротрансформатора от степени его буксования изображена на рис. 122, из которого видно, что если отношение частоты вращения турбинного колеса к частоте вращения двигателя nTlnR будет равно 0,65, то третье реактивное колесо выключается, а работают только два оставшихся реактивных колеса. При отношении этих частот вращения, равном 0,75, отключается второй реактивный элемент, а при 0,95 — первый, и далее гидротрансформатор работает как гидромуфта. Огибающая кривая дает суммарное значение КПД гидротрансформатора. При остановленном турбинном и вращающемся насосном колесах (100 %-ное буксование) коэффициент трансформации, характеризующий увеличение крутящего момента двигателя гидротрансформатором, составляет 2,15.
Как видно из рис. 122, потери в гидротрансформаторе весьма существенны и при его применении топлива рас-
ходуется больше, чем в случае обычной механической коробки передач. В автоматической планетарной коробке, которая расположена за гидротрансформатором, дополнительно возникают потери на привод масляных насосов, управление многодисковым сцеплением, трение масляной пленки между неподвижными и вращающимися деталями сцепления и тормозов и т. д. Все эти потери нагревают масло, которое следует охлаждать, а на это вновь затрачивается часть эффективной мощности двигателя. Общая длина планетарной коробки передач, расположенной по оси двигателя, включая длину размещенного перед ней гидротрансформатора, достаточно велика, и весь агрегат, имея большие размеры и массу, относительно дорого стоит. Поэтому возрастает интерес к созданию более современного типа гидротрансформатора или же бесступенчатой коробки передач без использования гидромуфты или гидротрансформатора.
БЕССТУПЕНЧАТЫЕ
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ
Уже с самого начала возникновения автомобиля была известна бесступенчатая фрикционная передача. Однако она до сих пор не нашла широкого применения в автомобиле, так как имеет невысокий КПД, небольшой срок службы или неприемлема для передачи большой мощности. Интерес всегда вызывает клиноременный вариатор, т. е. клиноременная передача с двумя шкивами, половины которых могут сдвигаться в осевом направлении, в результате чего изменяется их эффективный диаметр. Такая передача была применена в легковом автомобиле малого класса фирмы ДАФ (Нидерланды), где благодаря удобному расположению в автомобиле, автоматическому управлению, уменьшению нагрузки на ремень в результате использования понижающей передачи зубчатыми колесами была достигнута достаточно высокая надежность работы и хороший срок службы.
Но для надежной передачи большей мощности срок службы обычных клиновых ремней оказывается недостаточным. Решение нашли в замене их металлическими клиновидными ремнями. Элемент одного из таких ремней показан на рис. 123. Основу составляет стальная лента, состоящая из 10—14 слоев стального листа с толщиной каждого слоя около 0,2 мм, на которой подвижно раз- 248
Рис. 123. Элемент металлического составного клиновидного ремня
мещены клиновидные башмачки. Передача усилия с одного шкива на другой осуществляется давлением между отдельными башмачками, а стальная лента не несет тягового усилия и служит лишь направляющей башмачков. Углы клина башмачков в плоскости ремня выбраны таким образом, чтобы их торцовые поверхности не касались друг друга даже при минимальном диаметре шкивов. Боковые поверхности башмачков передают тяговое усилие в направлении от оси вращения ремня к его краю. Для уменьшения вибраций и шума, а также для ограничения зазоров, образующихся при вытягивании ленты, башмачки выполнены разными по толщине.
Для монтажа на ленту башмачки снабжены прорезями или (см. рис. 123) штифтами, что предохраняет их от выпадания. Собранный ремень помещен в кожух и смазан. Для удаления масла с боковых поверхностей башмачков, входящих в контакт с поверхностью шкива, на них выполнены маслосбрасывающие канавки.
Для изменения активного радиуса шкивов и, следовательно, передаточного отношения боковые поверхности шкивов перемещаются гидравлическим устройством; КПД такого клиноременного вариатора очень высок и достигает 97—98 %. КПД же всей трансмиссии с передачей такого типа, включая привод колес и гидронасосы, у автомобиля «Форд-Фиеста» составил 88—92 %. Для трогания автомобиля с места и выключения привода при остановке автомобиля служит центробежное сцепление на маховике двигателя. Для движения автомобиля задним ходом используют зубчатую реверсирующую передачу, включаемую вручную.
Ведутся разработки и других типов бесступенчатых вариаторных передач. Например, фирма ГКН вместо Клинового ремня использует для передачи тягового усилия стальную цепь. Пальцы цепи имеют специальную форму
боковых торцов, соприкасающихся со шкивами. КПД такой передачи составляет 90—95 %.
Описанная выше бесступенчатая передача типа «Транс- матик» металлическим клиновым ремнем с башмачками на 10 % легче автоматической планетарной коробки передач и короче ее. Такая передача может использоваться в автомобилях с рабочим объемом двигателя 1000— 2300 см3.
ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ
Гидростатическая передача в легковых автомобилях до настоящего времени не применяется, поскольку она дорога и ее КПД относительно низок. Наиболее часто она используется в специальных машинах и транспортных средствах. В то же время гидростатический привод имеет много возможностей для применения; он особенно пригоден для трансмиссии с электронным управлением.
Принцип гидростатической передачи состоит в том, что источник механической энергии, например двигатель внутреннего сгорания, приводит гидронасос, подающий масло в тяговый гидравлический двигатель. Обе эти группы соединены между собой трубопроводом высокого давления, в частности, гибким. Это упрощает конструкцию машины, отпадает необходимость применения многих зубчатых колес, шарниров, осей, поскольку обе группы агрегатов могут быть расположены независимо друг от друга. Мощность привода определяется объемами гидронасоса и гидродвигателя. Изменение передаточного отношения в гидростатическом приводе бесступенчатое, его реверсирование и гидравлическая блокировка весьма просты.
В отличие от гидромеханической передачи, где соединение тяговой группы с преобразователем крутящего момента жесткое, в гидростатическом приводе передача усилий производится только через жидкость.
В качестве примера работы обеих трансмиссий рассмотрим переезд автомобиля с ними через складку местности (дамбу). При въезде на дамбу у автомобиля с гидромеханической трансмиссией возникает буксование гидротрансформатора, в результате чего при постоянной частоте вращения скорость автомобиля снижается. При спуске с вершины дамбы двигатель начинает действовать как тормоз, однако направление буксования гидротрансфор-
Рис. 124. Схема гидростатического привода:
/ — вал приводного двигателя; 2 — регулятор привода; 3 — регулируемый гидронасос; 4 — кожух насоса; 5— тяговый гидродвигатель; 6 и 7 — трубопроводы
матора меняется и поскольку гидротрансформатор имеет низкие тормозные свойства при таком направлении буксования, автомобиль разгоняется.
У гидростатической передачи при спуске с вершины дамбы гидродвигатель выполняет функцию насоса и масло остается в трубопроводе, соединяющем гидродвигатель с насосом. Соединение обеих групп привода происходит через находящуюся под давлением жидкость, которая обладает той же степенью, жесткости, что и упругость валов, сцеплений и зубчатых колес в обычной механической трансмиссии. Разгона автомобиля поэтому при спуске с дамбы не произойдет. Гидростатическая передача особенно пригодна для автомобилей повышенной проходимости.
Принцип гидростатического привода показан на рис. 124. Привод гидронасоса 3 от двигателя внутреннего сгорания производится через вал / и наклонную шайбу, а регулятором 2 управляют углом наклона этой шайбы, что изменяет подачу жидкости гидронасосом. В случае, изображенном на рис. 124, шайба установлена жестко и перпендикулярно оси вала А и вместо нее наклоняется корпус насоса 3 в кожухе 4. Масло подается из гидронасоса по трубопроводу 6 в гидродвигатель 5, имеющий постоянный объем, а из него — вновь возвращается по трубопроводу 7 в насос.
Если гидронасос 3 расположен соосно валу /, то подача масла им равна нулю и гидродвигатель в этом случае блокирован. Если насос наклонен вниз, то он подает масло
в трубопроводе 7 и оно возвращается в насос по трубопроводу 6. При постоянной частоте вращения вала /, обеспечиваемой, например, регулятором дизеля, управление скоростью и направлением движения автомобиля производится всего лишь одной рукояткой регулятора.
В гидростатическом приводе можно использовать несколько схем регулирования:
насос и двигатель имеют нерегулируемые объемы. В этом случае речь идет о «гидравлическом вале», передаточное отношение является постоянным и зависит от отношения объемов насоса и двигателя. Такая трансмиссия для применения в автомобиле неприемлема;
насос имеет регулируемый, а двигатель — нерегулируемый объем. Этот способ наиболее часто применяется в транспортных средствах, так как предоставляет большой диапазон регулирования при относительно простой конструкции;
насос имеет нерегулируемый, а двигатель — регулируемый объем. Эта схема неприемлема для привода автомобиля, поскольку с ее помощью нельзя обеспечить торможение автомобиля через трансмиссию;
насос и двигатель имеют регулируемые объемы. Такая схема предоставляет наилучшие возможности регулирования, но весьма сложна.
Применение гидростатической передачи позволяет отрегулировать выходную мощность вплоть до остановки выходного вала. При этом даже на крутом спуске можно остановить автомобиль перемещением рукоятки регулятора в нулевое положение. В этом случае трансмиссия гидравлически заблокирована и необходимость в применении тормозов отпадает. Для движения автомобиля достаточно передвинуть рукоятку вперед или назад. Если в трансмиссии используется несколько гидродвигателей, то соответствующим их регулированием можно достичь реализации работы дифференциала или его блокировки.
В гидростатической трансмиссии отсутствует целый ряд агрегатов, например, коробка передач, сцепление, карданные валы с шарнирами, главная передача и др. Это выгодно с позиции снижения массы и стоимости автомобиля и компенсирует достаточно высокую стоимость гидравлического оборудования. Все сказанное, в первую очередь, относится к специальным транспортным и технологическим средствам. В то же время, с точки зрения 252
Рис. 125. Схема гидростатического привода с аккумулятором дав ленпя:
1 — приводной двигатель; 2 — гидронасос; 3 — гидроаккумулятор: 4 — датчик Давления; 5 — электронный регулятор; 6 — центральное управляющее устройство; 7 — гидродвигатель; 8 — масляный бак; 9 — привод дополнительного гидрооборудования; 10 — редукционный клапан
экономии энергии, гидростатическая трансмиссия имеет большие преимущества, например, для применения в автобусах.
Выше уже упоминалось о целесообразности аккумулирования энергии и получаемом энергетическом выигрыше, когда двигатель работает с постоянной частотой вращения в оптимальной зоне своей характеристики и его частота вращения не изменяется при переключении передач или изменении скорости автомобиля. Отмечалось также и то, что вращающиеся массы, соединенные с ведущими колесами, должны быть как можно меньше. Говорилось, кроме того, о преимуществах гибридного привода, когда при разгоне используются наибольшая мощность двигателя, а также мощность, накопленная в аккумуляторе. Все эти преимущества удается легко реализовать в гидростатическом приводе, если в его системе разместить гидроаккумулятор высокого давления.
Схема такой системы представлена на рис. 125. Приводимый двигателем / насос 2 с постоянным объемом подает масло в аккумулятор 3. Если аккумулятор заполнен, регулятор давления 4 подает импульс электронному регулятору 5 об остановке двигателя. Из аккумулятора масло под давлением подается через центральное управляющее устройство б к гидродвигателю 7 и из него сбрасывается в масляный бак 8, из которого вновь забирается насосом. У аккумулятора имеется ответвление 9,
предназначенное для питания дополнительного оборудования автомобиля.
В гидростатическом приводе обратное направление движения жидкости можно использовать для торможейия автомобиля. В этом случае гидродвигатель забирает масло из бака и подает его под давлением в аккумулятор. Таким способом можно аккумулировать энергию торможения • для дальнейшего ее использования. Недостаток всех аккумуляторов СОСТОИТ В ТОМ, "ЧТО любой из них (жидкостный, инерционный или электрический) имеет ограниченную емкость, и если аккумулятор заряжен, он больше не может накапливать энергию, и ее избыток должен быть сброшен (например, преобразован в теплоту) так же, как и в автомобиле .без аккумулирования энергии. В случае гидростатического привода эта проблема решается применением редукционного клапана 10, который при наполненном аккумуляторе перепускает масло в бак.
У городских маршрутных автобусов благодаря аккумулированию энергии торможения и возможности зарядки жидкостного аккумулятора во время остановок двигатель можно было бы отрегулировать на меньшую мощность и при этом обеспечить соблюдение необходимых ускорений < при разгоне автобуса. Такая схема привода позволяет 1 экономично реализовать движение в городском цикле, - описанное в 6.2 и изображенное на рис. 36.
Гидростатический привод можно удобно скомбинировать с обычной зубчатой передачей. В качестве примера приведем комбинированную трансмиссию автомобиля. 4 На рис. 126 дана схема такой трансмиссии от маховика \ двигателя 1 к редуктору 2 главной передачи. Крутящий момент через цилиндрическую зубчатую передачу 3 и 4 , подводится к поршневому насосу 6 с постоянным объемом. Передаточное отношение цилиндрической передачи соответствует IV—V передачам обычной механической коробки передач. При вращении насос начинает подавать масло в тяговый гидродвигатель 9 с регулируемым объ- ; емом. Наклонная регулирующая шайба 7 гидродвигателя соединена с крышкой 8 корпуса трансмиссии, а корпус гидродвигателя 9 соединен с ведущим валом 5 главной передачи 2.
При разгоне автомобиля шайба гидродвигателя имеет наибольший угол наклона и масло, нагнетаемое насосом, . создает большой момент на валу. Помимо этого на вал действует и реактивный момент насоса. По мере разгона
Рис. 126. Комбинированная гидростатическая передача автомобиля:1 — маховик; 2 — редуктор главной передачи; 3 и 4 — шестерни цилиндрической зубчатой передачи; 5 — вал-шестерия главной передачи; 6 — гидронасос постоянного объема; 7 — регулирующая шайба тягового гид- родвигателя; 8 — крышка корпуса трансмиссии; 9 — тяговый гндродвигатель с регулируемым объемомРис. 126. Комбинированная гидростатическая передача автомобиля:1 — маховик; 2 — редуктор главной передачи; 3 и 4 — шестерни цилиндрической зубчатой передачи; 5 — вал-шестерия главной передачи; 6 — гидронасос постоянного объема; 7 — регулирующая шайба тягового гид- родвигателя; 8 — крышка корпуса трансмиссии; 9 — тяговый гндродвигатель с регулируемым объемом
Рис. 126. Комбинированная гидростатическая передача автомобиля:
1 — маховик; 2 — редуктор главной передачи; 3 и 4 — шестерни цилиндрической зубчатой передачи; 5 — вал-шестерия главной передачи; 6 — гидронасос постоянного объема; 7 — регулирующая шайба тягового гид- родвигателя; 8 — крышка корпуса трансмиссии; 9 — тяговый гндродвигатель с регулируемым объемом
Рис. 126. Комбинированная гидростатическая передача автомобиля:
1 — маховик; 2 — редуктор главной передачи; 3 и 4 — шестерни цилиндрической зубчатой передачи; 5 — вал-шестерия главной передачи; 6 — гидронасос постоянного объема; 7 — регулирующая шайба тягового гид- родвигателя; 8 — крышка корпуса трансмиссии; 9 — тяговый гндродвигатель с регулируемым объемом
автомобиля наклон шайбы уменьшается, следовательно, уменьшается и крутящий момент от корпуса гидродвигателя на валу, однако давление масла, подаваемого насосом, увеличивается и, следовательно, возрастет и реактивный момент этого насоса.
При уменьшении угла наклона шайбы до 0° насос гидравлически блокирован и передача крутящего момента от маховика к главной передаче будет осуществляться только парой шестерен; гидростатический привод будет выключен. Это улучшает КПД всей трансмиссии, так как гидродвигатель и насос отключены и вращаются в заблокированном положении вместе с валом, с КПД, равным единице. Кроме того, исчезают износ и шум гидроагрегатов. Этот пример — один из многих, показывающих возможности применения гидростатического привода. Масса и размеры гидростатической передачи определяются величиной максимального давления жидкости, которое в настоящее время достигло 50 МПа.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ
Электрическая передача мощности от двигателя к ведущим колесам в легковом автомобиле не применяется. Но она используется в больших автопоездах с несколь
Рис. 127. Электропривод в ступице колеса:Рис. 127. Электропривод в ступице колеса:1 — ротор; 2 — фланец статора;3, 4 — планетарная передача;5 — подшипник; 6 •=• тормоз;7 — шина1 — ротор; 2 — фланец статора;3, 4 — планетарная передача;5 — подшипник; 6 •=• тормоз;7 — шинакими прицепами и всеми ведущими колесами. В этом случае автомобиль-тягач имеет дизель-генераторную силовую установку, а в ступицах всех колес автопоезда размещены тяговые электродвигатели с одноступенчатой или двухступенчатой планетарной передачей. Схема такого ведущего колеса показана на рис. 127.
Рис. 127. Электропривод в ступице колеса:
Рис. 127. Электропривод в ступице колеса:
1 — ротор; 2 — фланец статора;
3, 4 — планетарная передача;
5 — подшипник; 6 •=• тормоз;
7 — шина
1 — ротор; 2 — фланец статора;
3, 4 — планетарная передача;
5 — подшипник; 6 •=• тормоз;
7 — шина
Электрическая трансмиссия слишком дорога и тяжела, чтобы ее применять в легковых автомобилях. Но она имеет те
же достоинства, что и описанный выше гидростатический привод. Электрическая трансмиссия типа «Соуседик», применяемая в тяговых железно-
дорожных вагонах поезда «Словацкая стрела» (ЧССР), работает по схеме, сходной с показанной на рис. 127. Электрическая трансмиссия известна уже давно и применялась на бензиноэлектрическом поезде в первую мировую войну для перевозки артиллерийских орудий.
ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ПЕРЕДАЧ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ
Общим недостатком всех ступенчатых коробок передач являются потери времени при переключении ртдельных ступеней. При каждом переключении передач необходимо выключить сцепление, включенную ступень выключить, затем включить другую ступень и вновь включить сцепление. Все это время двигатель работает на холостом ходу, а автомобиль движется по инерции. У современных коробок передач время, необходимое для переключения передач, сокращается с применением блокируемых синхронизаторов. Синхронизаторы позволяют включить передачу быстрее благодаря тому, что обеспечивают быстрое выравнивание частот вращения обеих соединяемых шестерен. Чем больше сила, действующая на рычаг переключения передач, тем меньше длится синхронизация. Затянутое переключение передач увеличивает, например, время разгона автомобиля с места до 100 км/ч. При этом от водителя зависит, удастся ли ему переключить рычаг в, нужное время, поскольку при выключении передачи момент и частота вращения двигателя падают, а при включении последующей передачи они должны быть выше.
Автоматическая коробка передач предназначена для того, чтобы момент переключения передач соответствовал мгновенной скорости движения и положению педали управления. Цель применения коробки передач с электронным управлением состоит в том, чтобы учитывать еще большее количество условий, например, температуру двигателя, состав смеси, содержание вредных веществ в''отработавших газах и др. Электронное устройство определяет мгновенные условия быстрее и точнее, чем водитель, поэтому предпочтение отдается автоматически управляемым коробкам передач, разумеется, при условии, что они приближают КПД всей силовой установки к оптимальному.
При ручном управлении ступенчатой коробкой передач целесообразно оснащать щиток приборов устройством, которое показывает мгновенный расход топлива, средний расход топлива на пройденном отрезке пути, расстояние поездки, а также информирует водителя о соответствии запаса топлива в баке этим условиям. Такое устройство, кроме того, указывает на целесообразность переключения передачи й данный момент для экономичного вождения автомобиля. Сложность задач при управлении коробкой передач, особенно грузовых автомобилей, постоянно растет, поэтому необходимо применять новые решения, облегчающие вождение автомобиля.
Многое зависит от числа ступеней в коробке передач. При большом их числе имеется и больше возможностей приближения к оптимальным условиям работы двигателя и всей трансмиссии. Меньшие интервалы между соседними передачами облегчают синхронизацию и ускоряют переключение передач, но большее число переключений передач означает одновременно и большие потери времени. Все это говорит о целесообразности применения бесступенчатых регулируемых передач. Хорошая коробка передач может обеспечить снижение расхода топлива на 25 %.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ
Автомобиль без дифференциала на дороге с большим количеством поворотов расходует больше топлива. Как только взаимный поворот колес на общей оси без дифференциала будет больше, чем это допускает упругая деформация, произойдет буксование шин, продолжающееся до тех пор, пока какое-либо колесо на неровности не отскочит от дороги и буксование прекратится. Об этом уже упоминалось выше в гл. 3.
С другой стороны дифференциал может препятствовать троганию с места и движению автомобиля, если одно из его колес стоит, например, на обледеневшей, а другое — на шероховатой твердой поверхности дороги. Поэтому у грузовых автомобилей применяется механизм блокирования дифференциала, и при его включении автомобиль приводится в движение лишь колесом, стоящим на шерог ховэтой поверхности. Если автомобиль движется по шероховатой поверхности, дифференциал следует опять отключить, иначе вследствие пробуксовки произойдет
большой износ и нагрев шин. В ряде конструкций механизм блокирования дифференциала отключается сам, если .водитель его не удерживает. Последнее время начали шире применять дифференциалы повышенного трения, а также самоблокиру- ющиеся. В них сателлиты дифференциала затормаживаются и, следовательно, уменьшается и буксование колеса, находящегося на
Рис. 128. Дифференциал повышенного трения конструкции ZFРис. 128. Дифференциал повышенного трения конструкции ZFскользком основании;
Рис. 128. Дифференциал повышенного трения конструкции ZF
Рис. 128. Дифференциал повышенного трения конструкции ZF
тяговый момент на колесе, движущемся по шероховатой поверхности, растет. Тормозной механизм такого дифференциала расположен между колесом ведущего вала и коробкой дифференциала. Дифференциал повышенного трения фирмы «Цанрадфабрик» (ZF), ФРГ, показан на рис. 128.
При включении механизма блокирования дифференциала блокированная ось пытается удержать автомобиль в прямом направлении, что при управлении автомобилем на скользкой поверхности небезопасно. Для выравнивания скользящего автомобиля (вывода его из заноса) с блокированным дифференциалом следует повернуть колеса в направлении движения.
Дифференциал повышенного трения не должен оказывать сопротивления постепенному повороту колес во время движения на закруглениях дорог, но как только одно колесо окажется на скользкой поверхности или в воздухе (у гоночных автомобилей это бывает при резком повороте) и возникает угроза быстрого вращения колеса, должно включаться торможение сателлитов дифференциала. Как известно, давление жидкости, подаваемой шестеренчатым насосом через жиклер, пропорционально квадрату частоты вращения насоса. Это явление можно использовать для ограничения торможения сателлитов дифференциала в узком диапазоне частоты вращения. Сейчас существует несколько патентов на гидравлический дифференциал
повышенного трения, однако в серийном производстве дифференциалов такого типа еще нет.
Гидравлический дифференциал позволяет получить прогрессивный тормозной эффект при увеличении разности частот вращений обоих колес, поскольку, как отмечено выше, давление жидкости, протекающей через калиброванное отверстие, возрастает с увеличением ее расхода. Пример гидравлического дифференциала приведен на рис. 129.
Цилиндрические полуосевые шестерни 1 дифференциала, установленные на шлицах полуосей 2, входят в зацепление с сателлитными шестернями 3. Совместно с последними выполнены также цилиндрические шестерни 4 масляного насоса. При работе дифференциала и вращении шестерен 3 и 4 масло забирается насосными шестернями из камеры 5, а затем возвращается в нее же через калиброванное отверстие 6. Противодавление масла тормозит вращение сателлита тем больше, чем больше разница частот вращения колес автомобиля. Для торможения каждого из колес служит отдельный насос, поэтому при большой разности частот вращения один насос работает при высоком давлении масла, а второй подает его в камеру почти без сопротивления.
Межосевой дифференциал, который распределяет крутящий момент между передней и задней осями, при-
Рис. 129. Гидравлический дифференциал:
/ — шестерни полуосей; 2 — полуоси; 3 — сателлиты; 4 — шестерни мае* ляного насоса; 5 — насосная камера; 6 — калиброванное отаерстие
близительно пропорционален количеству шин. Если речь идет о трехосном полноприводном автомобиле с двухскатной ошиновкой на средней и задних осях, то передняя ось с обычными односкатными шинами передает только 20 % мощности, чему и должно соответствовать распределение мощности в дифференциале.
ЭЛЕКТРОМОБИЛИ
Электромобили были по достоинству оценены уже на "Заре автомобилизма. Привлекало их бесшумное движение, отсутствие загрязнения атмосферы и грязи при эксплуатации и обслуживании, простота управления. Очень привлекательным было и то, что не требовалось предварительно запускать и до начала движения разогревать двигатель. Эти свойства электромобиля в настоящее время ценятся еще выше, чем раньше. Однако наиболее Слабой стороной электромобиля является его аккумулятор электрической энергии.
Свинцовый аккумулятор, который в настоящее время наиболее выгоден для использования в электромобиле, имеет небольшую плотность энергии. В табл. 14 дано сравнение основных показателей нескольких наиболее известных типов аккумуляторов. Наиболее важным является плотность энергии, определяющая массу электромобиля при требуемом запасе хода, поскольку масса аккумулятора составляет почти 1/3 всей массы электро-
14. Данные электрических аккумуляторов
Тип аккумулятора
Срок службы, циклы перезарядки
Плотность энергии, Вт» ч/кг
Относительная стоимость
Свинец—кислота
200
. 16—28
1
Никель—железо
2000
25
3
Никель—кадмий
2000
31
6
Никель—цинк
200
55
4
Серебро—цинк
100
110
9
Серебро—кадмий
200
66
10
Цинк—воздух
—
До 130
—-
Литий—хлор
—
До 150
—
(при температуре 650 °C)
мобиля. Несмотря на то, что для остального шасси используют качественные и легкие материалы, масса автомобиля остается большой, что весьма отрицательно сказывается на всех его важных параметрах.
При анализе достоинств' электромобиля очень часто ссылаются на простоту и дешевизну их эксплуатации. При этом показывают, сколько энергии (в кВт.ч) требуется на 1 км пробега. Например, известно, что электромобиль «Фольксваген» с грузопассажирским кузовом потребляет при эксплуатации в горо'дских условиях около 0,8 кВт.ч/км. При экономном режиме пробега на дальнее расстояние ои расходует только 0,4 кВт.ч/км, при смешанном движении — 0,6 кВт. ч/км. Если в расчетах использовать ночной тариф электроэнергии, то стоимость энергии, действительно, составит приблизительно 1/4 стоимости потребляемого бензина.
Однако при общей экономической оценке электромобиля необходимо рассматривать и замену аккумуляторов, которые очень дороги и имеют небольшой срок- службы. В стоимость' затрат следует включить также ремонт аккумуляторов и самого автомобиля, а также амортизационные отчисления на автомобиль и оборудование для его обслуживания. Системы тиристорного регулирования электромобилей также стоят дорого, так что
15.А. Параметры опытных электромобилей ЭМА-1 и ЭМА-2
Параметры
ЭМА-1
ЭМА-2
Масса снаряженного автомобиля, кг
1060
3100
Полезная нагрузка, кг
240
1000
Максимальная скорость, км/ч
60
50
Запас хода, км
50
60—130
Максимальный преодолеваемый подъем, %'
20
18
Максимальное ускорение, м/с2
1,8—2
0,8-1,2
Номинальная мощность двигателя, кВт
2X3
13,6
Максимальная частота вращения двигателя,
6800
6000
мнн-1
Масса двигателя, кг
32
104
Напряжение аккумуляторов, В
96
96
Емкость аккумуляторов, А ч
80
300
Масса аккумуляторов, кг Размеры автомобиля, мм:
28Q
980
длина
2240
4425
ширина
1550
1850
15. Б. Калькуляция эксплуатационных затрат электромобиля ЭМА-2 (без учета амортизационных отчислений на автомобиль)
Виды затрат
Эксплуатационные затраты, кроны ЧССР/км
Доля, %
Расход электроэнергии
0,50'
8
Износ аккумулятора
2,25
36
Износ шин.
2,00
32
Амортизационные расходы на зарядное
0,50
8
устройство для аккумулятора Расходы на ремонт
1,00
16
после суммирования всех составляющих выясняется, что экономия затрат весьма проблематична. В качестве примера в табл. 15 А и Б приведены параметры и калькуляция эксплуатационных затрат автомобиля марки ЭМА-2 (ЧССР), в которую не включены амортизационные отчисления на легковой автомобиль.
Поскольку для зарядки аккумуляторов потребляется энергия от тепловых электростанций, нужно учесть все расходы, возникающие в процессе превращения энергии, начиная от расходов на уголь или нефть и кончая затратами энергии ведущими колесами электромобиля. Эффективность каждой из стадий превращения энергии исходного топлива в энергию, используемую в электромобиле, приведена ниже, %:
Получение электроэнергии из угля или нефти 32
Передача электроэнергии 90—92
Медленная зарядка аккумуляторов..'90—95
Быстрая зарядка аккумуляторов 65
Разряд аккумуляторов65—85
Двигатель и система регулирования.65
Всего 10—15
Начальная стоимость электромобиля всегда будет выше, чем автомобиля с.бензиновым двигателем вследствие главным образом высокой цены аккумуляторов. При этом срок службы аккумуляторов, определяемый числом циклов его перезарядки, весьма невелик и составляет около 50 000 км. Неприемлемо также и то, что чем выше плотность энергии, тем меньше срок службы аккумуляторов, а следовательно, тем выше их стоимость. Сам электродвигатель почти не нуждается в текущем ремонте, но акку-
муляторы, как показывает опыт, все же требуют ремонта после пятнадцати циклов перезарядки. Если они к тому же составлены из небольших элементов, то контроль за состоянием соединений и электролитом требует длительного времени. Использование более крупных элементов хотя и снижает повреждаемость соединений, но усложняет замену аккумуляторов и их транспортирование, так как масса батареи аккумулятора составляет 400—800 кг.
Другой нерешенный пока вопрос заключается в том, что удобнее: зарядить аккумуляторы на автомобиле или заменить их другими. Хотя при зарядке отпадают манипуляции с тяжелыми аккумуляторами, но необходим^ каждый час проверять штепсельный разъем зарядного устройства и ждать 6—8 ч, пока аккумулятор полностью зарядится. Легковые автомобили используются многими их владельцами в основном для поездки на отдых, что обычно связано с длительной дорогой до места назначения. После отпуска автомобиль стоит в гараже или на стоянке.
Замена аккумуляторов могла бы увеличить фактический запас хода, однако это требует очень хорошей организации обслуживания. Для этого прежде всего нужно было бы унифицировать размеры и способ монтажа аккумуляторов в электромобиле. При этих условиях пользователи не покупали бы аккумуляторы, а брали их напрокат, что очень удобно, так как не надо заботиться о состоянии аккумулятора. При этом, однако, пользователь не будет иметь представление о состоянии аккумулятора, который он только что вмонтировал. В то же время ускорение замены аккумуляторов и для конструкторов автомобилей остается по-прежнему очень сложной задачей.
С экономической точки зрения, важно также, каким способом производится электроэнергия. В настоящее время большинство электростанций — тепловые, работающие на нефтяных топливах, поэтому использование электромобилей не повлияло бы на снижение расхода нефти. Ранее, в табл. 2 уже были представлены данные об эффективности производства различных топлив из угля. С энергетической точки зрения, электромобиль также не слишком выгоден, поэтому в будущем должны использоваться экологически чистые источники энергии, которые дадут и дешевый электрический ток. Об этом будет рассказано далее, в главе о перспективных топливах.
Однако в любом случае необходимо решить вопрос об использовании электроэнергии в электромобиле. Напри- 264
мер, если отапливать автомобиль электрическим радиатором, то это существенно увеличит расход энергии из электрического аккумулятора. Для этой цели можно применять аккумулирующие теплоту камни, нагреваемые другим источником энергии.
В настоящее время,, как отмечалось в 6.2, имеются сообщения о гибридных схемах из инерционных и электрических аккумуляторов. Срок службы электрического аккумулятора зависит также от интенсивности его разрядки. Использование энергии маховика при разгоне автомобиля позволяет существенно уменьшить массу электрического аккумулятора и увеличить срок его службы. При движении с небольшой нагрузкой маховик может быть запущен током от электрического аккумулятора. Это, однако, предъявляет большие требования к системе регулирования электрического тока. В такой гибридной схеме также требуется наличие сигнализации о мгновенном количестве энергии, запасенной в маховике, что необходимо знать в случае совершения обгона.
Хранение электроэнергии в аккумуляторе связано с относительно большими ее потерями, и поэтому аккумулятор необходимо дозаряжать даже в том случае, когда автомобиль не находится в эксплуатации.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Обзор существующих типов электрических аккумуляторов уже был дан выше в табл. 14. Электромобиль потенциально обладает большими преимуществами, осуществление которых, однако, в значительной степени зависит от аккумуляторов. Вследствие этого в настоящее время усиленно ведутся разработки новых типов аккумуляторов; было изготовлено уже много их различных экспериментальных образцов, но всегда на пути к их массовому применению существовала какая-нибудь преграда — или недостаток "редких металлов (серебра, никеля, кадмия и др.), или малый срок службы, или трудности быстрой смены аккумулятора и т. д.
Плотность энергии никель-цинкового аккумулятора в 2—3 раза выше, чем кислотно-сринцового и срок его службы достигает 50 000 км. Плотность энергии у нового типа хлористо-цинкового аккумулятора в 4 раза выше, чем кислотно-свинцового, а срок его службы равен 10 годам (2500 циклов перезарядки). Но этот аккумулятор очень
265
сложен, в нем необходимо использовать насосы для циркуляции электролитов, теплообменники, запасные емкости для электролита или же осуществлять замену электролита и электродов вместо заправки аккумулятора.
ПАРАМЕТРЫ И КОНСТРУКЦИИ СОЗДАННЫХ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ ,
В качестве примеров кратко рассмотрим некоторые имеющиеся электромобили. Особенно большой интерес вызывают электромобили хозяйственного назначения для ' поездки в черте города или для междугородного сообще-, < ния на небольшие расстояния. Такие электромобили \ всегда возвращаются в свои гаражи, где имеется соответ- J ствующее оборудование для замены, аккумулятора или зарядки электроэнергией по ночному тарифу.j
Электромобиль «Фольксваген» с грузопассажирским кузовом имеет приводной электродвигатель постоянного тока с мощностью 16 кВт и электронным (тиристорным) 5 управлением; кратковременная мощность двигателя до- . стигает 32 кВт. Свинцовый аккумулятор составлен из 72 пар V-образно расположенных элементов (всего 144 эле- ’ мента); масса аккумулятора 850 кг, накапливаемый запас j энергии 25 кВт-ч. Автоматическое зарядное устройство ’ полностью заряжает аккумулятор в течение 10 ч. При тор- ; можеиии электромобиля обеспечивается подзарядка акку- мулятора методом рекуперации энергии. Прямой привод ( от электродвигателя на колеса без коробки передач обеспечивает движение электромобиля со скоростью 2—70 км/ч. Максимальная скорость 70 км/ч ограничена предельнодопустимой частотой вращения электродвигателя, равной 7000 мин-1. Запас хода электромобиля составляет 70 км, а при экономичном разгоне может достигать 100 км. Максимальный преодолеваемый подъем 16 %. Грузоподъемность благодаря усиленному шасси, равна 800 кг. Максимально допустимая полная масса составляет 3075 кг. Масса снаряженного'электромобиля 2275 кг. Электромо- - биль «Фольксваген» при движении по городу потребляет 0,8 кВт-ч/км, а при экономичном "равномерном длительном движении — 0,4кВт ч/км. Срок службы аккумулятора составляет 1500 циклов перезарядки. Замена аккумулятора массой 850 кг требует применения весьма сложного оборудования. В опытной эксплуатации в настоящее время находится 50 электромобилей «Фольксваген».
266i
Другим интересным образцом является легковой электромобиль марки ETV-1, который разработали по заказу Министерства энергетики США американские фирмы «Дже- нерал Электрик», «Крайслер» и «Глеб Юнион». ^ТТ-Г представляет собой четырехместный электромобиль с обтекаемом кузовом. Запас хода при- постоянной скорости 56 км/ч с двумя пассажирами составляет 195 км, а с четырьмя (272 кг) — 187 км. При постоянной скорости 73 км/ч запас хода с двумя пассажирами составляет уже 163 км, а с четырьмя — 155 км. Предполагаемая крейсерская скорость электромобиля равна 88 км/ч, а его максимальная скорость, используемая при обгоне, 96 км/ч. Максимальный преодолеваемый подъем 17 %. В электромобиле использованы свинцовые аккумуляторы, плотность энергии которых на 25 % выше, чем у обычных. Получению хороших результатов способствовала также и форма кузова с сх = У,31. Хотя кузов электромобиля выполнен из легких металлов ц/ пластмасс, снаряженная масса электромобиля составляет 1506 кг, из них 490 кг весит аккумулятор.
В ЧССР научно-исследовательским институтом электрических машин совместно с Высшей технической школой г. Брно были разработаны и испытаны электромобили ЭМА-1 и ЭМА-2, характеристики которых уже приводились в табл. 15.
ЭМА-1—двухместный электромобиль для движения по городу. В приводе с тиристорным регулированием используются два двигателя, каждый из которых через постоянный редуктор связан с одним задним колесом. В электромобиле ЭМА-1 используются свинцовые стартерные аккумуляторы чехословацкого производства.
Электромобиль ЭМА-2 предназначен для перевозки семи человек (не считая водителя), а также их багажа; . второй вариант этого электромобиля с грузопассажирским кузовом имеет полезную нагрузку 1000 кг. Электромобиль ЭМА-2 базируется на шасси автомобиля «Баркас В 1000». Автомобиль имеет один серийно выпускаемый электродвигатель постоянного тока типа МГ-80, который питается от свинцового аккумулятора с помощью системы тиристорного регулирования.
В институте дорожного и городского транспорта в г. Праге на базе легкового автомобиля «Фиат 127» был создан и испытан прототип пятиместного трехдверного серийного электромобиля, названный «Фиат 127А». Базо-
267
вый автомобиль имеет передние ведущие колеса и установленный поперек бензиновый двигатель, в варианте электромобиля вместо него применен электродвигатель постоянного тока МТ-125, дополненный пульсационным регулированием возбуждения. Электродвигатель соединен с коробкой передач тремя клиновыми ремнями с передаточным отношением 2,5 : 1.
Длительная мощность двигателя при напряжении 92 В составляет 11,8 кВт. Масса двигателя равна 79 кг, его номинальная частота вращения 5000 мин-1. Позднее этот электродвигатель был заменен более экономичным двигателем МГ-160 с номинальной частотой вращения 3000 мин1, В конструкции электромобиля использовано рекуперативное аккумулирование энергии при торможении, которое при смешанном движении составило 10,7 % от энергии, расходуемой в фазах активного движения. Снаряженная масса электромобиля равна 1143 кг, а полная масса 1443 кг.
ПРИРОДНЫЕ ЗАМЕНИТЕЛИ НЕФТЯНЫХ ТОПЛИВ
Ископаемые топлива образовывались в земной коре в течение миллионов лет. Эти твердые, жидкие и газообразные энергоносители до настоящего времени являются наиболее обширными источниками энергии, потребляемой человечеством. Раньше других топлив был использован уголь, имевший огромное значение в эпоху паровых машин. Но для современных механических транспортных средств необходима нефть и ее дистилляты, поскольку жидкое топливо обладает высокой плотностью энергии и возможностью легко образовывать горючую смесь с воздухом. В начале развития моторизации в наибольшей степени требовался бензин, а после изобретения двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия — также и дизельное топливо. Природный газ относится к второстепенным (с точки зрения использования для автомобильных двигателей) топливам, так как хранимый в стальных баллонах сжатый газ обладает существенно меньшей плотностью энергии, его заправка, транспорт и перекачка не так удобны, как бензина и дизельного топлива.
Постоянный рост потребности в бензине и дизельном топливе, а также данные исследований о запасах 268
16. Оцениваемые запасы нефти на конец 1979 г.
Страна
Запасы, млрд, т
Страна
Запасы, млрд, т
Саудовская Аравия
22,3
КНР
2,7
СССР
9,1
Венесуэла
2,6
Кувейт
9,0
Нигерия
2,3
Иран
7,9
Великобритания
2,1
Мексика
4,4
Индонезия
1,3
США
3,6
Алжир
1,1
Абу-Даби
3,7
Канада
0,9
Ливия
3,1
Норвегия
0,8
* Оценка зарубежных экспертов — Примеч. ред.
нефти привели к выводу, что уже в ближайшем, будущем спрос на нефть будет превышать ее добычу и возможно возникновение критической ситуации. Вследствие этого потребуется либо исключить часть транспортных средств из эксплуатации, либо искать заменители ископаемого топлива. В табл. 16 приведены оцениваемые мировые запасы нефти по состоянию на 1979 г. Хотя и сегодня открывают новые месторождения нефти, но почти все они находятся на больших и труднодоступных глубинах, под морским дном или в нефтеносных песках. Большую часть запасов топлива, созданных природой за 100 миллионов лет, современная цивилизация смогла исчерпатьза 100лет. * В результате сжигания топлива в атмосферу поступает окись углерода, которая вместе с водяным паром снова превращается в углеводородное топливо, но лишь через миллионы лет.
За более короткий период образуется биологическая масса, например, древесина, сахарный тростник, картофель, из которых также можно получить углеводородное топливо. Однако эти сельскохозяйственные продукту необходимы для жизни человечества и не в состоянии заменить убывающие запасы нефти. Поскольку запасы некоторых видов ископаемых топлив могут быть исчерпаны в течение уже ближайшего столетия или даже нескольких десятилетий, необходимо как можно быстрее не только найти им заменители, но и искать новые типы силовых установок и приводов автомобилей.
В ближайшее время наиболее необходимы будут те типы жидкого топлива, которые потребляются автомобильными двигателями внутреннего сгорания, поскольку развитые технологии их производства, современное состояние автомобильного парка, имеющаяся обширная сеть автомобильного сервиса для перехода на другие типа топлива потребуют больших преобразований. Поэтому в первую очередь появятся добавки к бензинам, которые вызовут минимальные изменения в современном автомобиле. В меньшей мере для этого будут использованы спирты. Это, конечно, не будет окончательным решением проблемы, поскольку по мере уменьшения запасов нефти более высокой будет становиться стоимость бензина и дизельного топлива. Поэтому рентабельным станет производство бензина способом гидрогенизации угля. Этот метод уже доота- рочно разработан, а запасы угля относительно велики. Ведутся также исследования по производству бензина из нефтеносных песков. В настоящее время пытаются сжигать их непосредственно в земле, не ведя подземных разработок, а на поверхности только перерабатывать полученные таким образом газы. Разумеется, при этом необходимо исключить истребление растительности на обширных пространствах, а также загрязнение атмосферы отходами химических производств такого типа.
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
Природный газ представляет собой важный источник энергии и в настоящее время в возрастающей степени используется в промышленных целях и быту. Его применение в автомобилях облегчает пуск двигателя и способствует более равномерному распределению топлива между цилиндрами. Замена и заправка газовых баллонов яв-
ляется, однако, трудоемкой операцией и, кроме того, бал-- лоны занимают в автомобиле много места. Газосмеситель (обычно двухступенчатого типа) подогревается жидкостью системы охлаждения двигателя. Данные о запасах природного газа и пути его использования позволяют предполагать,. что он будет исчерпан позднее нефти.
УГОЛЬ
Среди запасов ископаемых топлив запасы угля являются наибольшими. Поскольку их хватит на несколько десятилетий дольше, чем запасов нефти, то на тепловых электростанциях в последнее время вместо нефти вновь стали использовать уголь; кроме того, уголь представляет собой важнейшее сырье для химической промышленности. Непосредственное использование угля для привода автомобиля остается до настоящего времени нерешенной проблемой. Ведутся исследования по сжиганию тонко измельченного угольного порошка, вдуваемого сжатым воздухом непосредственно в цилиндр дизеля . Однако эта задача является чрезвычайно трудной и, по-видимому, в ближайшее время решена не будет.
БИОМАССА
Под биомассой понимаются растения, в которых протекает процесс фотосинтеза, т. е. процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды под действием солнечного света, сопровождающийся выделением энергии. К таким растениям относятся прежде всего зерновые культуры, картофель, сахарный тростник, деревья, водная растительность, а также их омертвевшие остатки.
Около 2/3 земной поверхности поставляют ежегодно 75 млрд, т биомассы, что соответствует десятой части мирового потребления энергии. Разумеется, эти вещества используются, в первую очередь, для обеспечения людей продуктами питания. В то же время большая часть поверхности занята под лесной растительностью, некоторые площади малоурожайны или же труднодоступны и в этой
связи большое внимание привлекает возможность использования производимой на них биомассы в целях изготовления топлива для автомобильных двигателей. Прежде всего речь идет об этиловом спирте (этаноле) Однако из биомассы невозможно получить количество этанола, достаточное для удовлетворения потребности мирового автомобильного парка в топливе. Подсчитано, например, что в Бразилии, где этанол в качестве топлива для автомобилей уже нашел применение, длй замены им 20 % потребляемых традиционных топлив под сахарный тростник следует занять площадь, равную территории Бельгии.
В любом случае производство топлива из биомассы выгодно для развивающихся стран, не обладающих запа-"' сами нефти или газа, так как экономит их валютные резервы на импорт необходимых топлив и, что весьма важно, обеспечивает занятость многих людей в этих странах. Путь доставки топлива от изготовителя к потребителю относительно короток, поскольку его производство отличается простотой и позволяет построить небольшие предприятия по производству этанола и в густонаселенных районах. Установлено, что можно добавлять 25 % этанола к бензину и 10 % этанола к дизельному топливу и использовать эти смеси без больших изменений в автаи®- биле.
В Чехословакии перед второй мировой войной нашло широкое применение использование спирта, получаемого из картофеля, для добавки в моторное топливо.
С экологической точки зрения, зеленую растительность очень выгодно использовать для производства энергоносителей и других важных продуктов, так как отходом при этом является кислород.
В то же время все интенсивнее будут потребляться сельскохозяйственные культуры для обеспечения людей продуктами питания, поэтому производство спирта из зерна, картофеля и сахарного тростника будет значительно ограничено.
В последнее время большое внимание привлекло растение под названием маниок. Эта культура не требует плодородных почв и может выращиваться на землях, где,- кроме него, почти ничего не произрастает. Листья, стебли и ветви этого растения идут на корм домашнему скоту, а корни используются при производстве спирта. Для развивающихся стран эта сельскохозяйственная культура особенно выгодна.
Во Франции большое внимание уделяется производству из продуктов сельского .хозяйства бензина сорта «Карбю- роль». Французское правительство построило предприятие, которое может производить ежедневно 1 т бензина этого сорта.'Одновременно строится другое предприятие мощностью уже 10 т бензина в сутки. Планируется, что 10 % этого бензина будет добавляться в бензин сорта «Супер», причем величина добавки постепенно возрастет до 20—25 %.
ВОДОРОД и возможности
ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В АВТОМОБИЛЕ
Приведенные в предыдущей главе рассуждения относятся к ближайшему будущему. Однако необходимо считаться и с тем, что все ископаемые топлива будут в перспективе исчерпаны. Топливо из биомассы не в состоянии удовлетворить мировую потребность в моторном топливе. Можно производить еще некоторое количество искусе гвен- ного топлива из биологических отходов, но всего этого будет явно недостаточно.
Поэтому есть все основания предполагать, что идеальным топливом будущего станет водород. Он не является первичным энергоносителем, а представляет собой как бы природный аккумулятор энергии, очень легкий, неизна- шиваемый и широкоупотребимый.
СВОЙСТВА ВОДОРОДА
Некоторые свойства водорода приведены в табл. 17. Плотность энергии в единице массы у водорода уникальна, поэтому уже сегодня он применяется на космических кораблях. Водород может быть отличным аккумулятором производимой в ночное время электростанциями электроэнергии, приемлем для использования в газовой сети как для промышленных, так и бытовых нужд, его можно транспортировать на большие расстояния. Водород может хорошо применяться в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах, двигателях Стирлинга и других источниках механической энергии.
Водород — один из самых распространенных элементов на земле. Обычно его получают электролизом воды,
Параметры
Бензин
Дизельное топливо
Жидкий водород
Плотность, кг/дм3
Температура кипения, °C
Низшая массовая теплотвор-
0,73 38—204 4.49Х 10*
0,86 160—343 4,30Х 104
0,071
-253 12Х 10*
иая способность, кДж/кг
Низшая объемная теплотворная способность, кДж/м8
32,7^ 10»
14,8
36,8Х 10е
14,5
8,52 X 10»
34,6
Стехиометрическое отноше-
ние
Температура воспламенения.
257
254
574
°C
Ламинарная скорость горения, м/с
0,34
0,34
2,7
в результате которого образуются водород и кислород. При воспламенении смесь этих газов сгорает с образованием воды. Таким образом энергию, затрачиваемую на разложение воды, вновь получают при сжигании смеси образующихся газов. Следовательно, водород — неуничтожаемый аккумулятор энергии, не нарушающий биологического равновесия на планете.
Вода, необходимая для получения водорода, имеется в избытке и при наличии электрического тока или приемлемого источника энергии можно повсюду получать водород. Образующийся одновременно с водородом кислород может применяться для различных целей. Выгодна была бы заправка автомобиля обои-
Рис. 130. Зависимость мини-, мальной энергии воспламенения Е от состава топливовоздушиой смеси аРис. 130. Зависимость мини-, мальной энергии воспламенения Е от состава топливовоздушиой смеси ами этими газами, поскольку j в двигателе они сгорали бы J с образованием одной лишь ’ чистой воды. Если же используется кислород атмосферы, ' содержащей, как известно, j 79 % азота и 21 % кислорода, то наличие азота—инертного ‘ газа, обеспечивает снижение , высоких скоростей сгорания, имеющих место и являющихся причиной стука ,/ при горении смеси чистых Н2 иО2. С другой стороны, при- ; сутствие азота приводит к тому, что при высоких темпе- ;
Рис. 130. Зависимость мини-, мальной энергии воспламенения Е от состава топливовоздушиой смеси а
Рис. 130. Зависимость мини-, мальной энергии воспламенения Е от состава топливовоздушиой смеси а
ратурах образуются токсичные окислы азота N(\. Для снижения максимальных температур сгорания целесообразно использовать рециркуляцию охлажденных отработавших газов.
Как видно из рис. 130, для воспламенения водорода в воздухе требуется очень небольшая энергия. Для сравнения на этом же рисунке приведена энергия Е, необходимая для воспламенения смесей углеводородов в тех же условиях. Даже очень бедные смеси водорода с воздухом легко воспламеняются: небольшое количество водорода, вводимое в смесь бензина с воздухом, заметно улучшает воспламеняемость бедных смесей. Это также учитывается при разработке способов эконбмии нефтяных топлив.
НЕОБХОДИМЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ
В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ СЖИГАНИЯ В НИХ ВОДОРОДА
ВодорОд имеет Наименьшую из известных газов плотность, поэтому он легко пройикает даже в очень малые зазоры. В двигателе внутреннего сгорания водород через клапаны поступает во впускной и выпускной трубопроводы и является причиной возникновения в них взрывов. Чтобы избежать этого, необходимо уделить должное внимание подаче водорода и смешению его с воздухом. Некоторые системы питания предполагают подачу водорода во всасываемый воздух только при открывании впускного клапана. Один из таких способов изображен на рис. 131 [171, где фаска впускного клапана при его посадке на седло прекращает и подачу водорода.
Недостатком газообразного водорода является то, что, занимая большой объем, он уменьшает общее количество горючей смеси в конце такта впуска в сравнении с использованием жидкого топлива (бензина) в каплеобразном состоянии. Поскольку мощность двигателя зависит от количества поступившей в цилиндры рабочей смеси, удельная мощность, снимаемая с единицы рабочего объема у двигателя, работающего на водороде, на 25 % меньше,' чем при работе на бензине.
Этот недостаток можно устранить подачей водорода в цилиндр после закрытия впускного клапана и заполнения цилиндра свежим воздухом. В этом случае водород впрыскивают (точнее, вдувают) аналогично впрыску топлива в дизеле. Этот способ находится в стадии разработки;
Рис. 131. Подача водорода в двигатель через седло впускного клапанаРис. 131. Подача водорода в двигатель через седло впускного клапанаРис. 132. Форсунка для подачи газо- образяого водорода в цилиндр с гидравлическим управлением клапана
Рис. 131. Подача водорода в двигатель через седло впускного клапана
Рис. 131. Подача водорода в двигатель через седло впускного клапана
экспериментальная форсунка, у которой клапан подачи газообразного водорода в цилиндр управляется гидравлически (рис. 132). При таком способе питания достигается
такая же литровая мощность, как и у бензинового двигателя. При этом давление впрыска газообразного водорода, естественно, должно быть больше, чем давление воздуха в цилиндре в момент подачи топлива.
Применение водорода позволяет достичь хорошего индикаторного КПД. На рис. 133 показаны полученные значения индикаторного КПД при работе двигателя на водо-
Рис. 133. Зависимость индикаторного КПД щ двигателя от нагрузки и состава смеси для водорода (//2) и бензина (5)
роде и бензине при различных составах смеси (цифры на кривых). Наилучшие результаты были получены при работе на водороде в условиях* малых нагрузок, т. е. при низких значениях среднего эффективного давления. Таким образом, при работе на водороде топливо расходуется наиболее экономно при движении по городу, что весьма желательно.
Из вредных примесей в отработавших газах присутствуют только окислы азота МОХ, однако их содержание может быть снижено рециркуляцией отработавших газов. ^.Следует отметить также простоту подачи воды для этой же цели в водородный двигатель. В бензиновом двигателе подача воды затруднена, так как для этого требуются отдельные бак и система питания водой, что услржняет обслуживание автомобиля и, кроме того, способствует возникнрвению коррозии двигателя. При работе двигателя на водороде отработавшие газы охлаждаются, так что водяные пары конденсируются и образующаяся вода может быть подана в двигатель.
ХРАНЕНИЕ ВОДОРОДА
Наибольшую сложность представляет хранение водорода в автомобиле. Поскольку водород очень легок, то масса и размеры существующих металлических баллонов, а также способы его хранения в них неприемлемы. В табл. 18 для сравнения приведены различные способы хранения водорода. Сжиженный водород занимает небольшой объем, однако теплоизоляция емкости с ним очень громоздка и дорога. Кроме того, обращение с жидким водородом небезопасно и требует обученного персонала. Несмотря на достигнутый значительный прогресс в хранении и доставке сжиженного водорода, его применение
18. Способы хранения водорода
Фазовое состояние и способ хранения водорода
Емкость с водородом
Масса, %
Объем, %
Жидкий в
сосуде Дьюара
100
100
Связанный
в гидриде FeTi + NiMg
642
' 56
Связанный
в гидриде FeTi
867
63
Газообразный под давлением 14 МПа
1725
594
Число атомов металлаЧисло отомов металла
Рис. 134. Условия равновесия FeTi и NiMg при различных температурах
в легковых автомобилях.до сих пор представляет собой нерешенную задачу. Неприемлемы также и величины потерь водорода в результате его испарения из криогенных баков.
Для хранения водорода в автомобиле наиболее выгодно использовать гидриды металлов. Некоторые металлические сплавы имеют особенность при определенных давлениях насыщаться водородом и образовывать с ним химические соединения — гидриды. В процессе связывания водорода с металлом выделяется теплота, которую необходимо отводить. Для обратного процесса выделения водорода гидрид необходимо нагреть подобно воде для образования пара.
Эти свойства гидридов при применении в автомобиле дают преимущества по сравнению с другими способами хранения водорода. При движении автомобиля емкость с гидридами нагревается жидкостью системы охлаждения или же отработавшими газами двигателя. Эта теплота аккумулируется в гидридах, температура которых повышается и растет давление водорода. Однако при достижении'определенного значения давления в емкости температура вновь падает и выравнивается с температурой окружающей среды. На рис. 134 приведены изотермические диаграммы систем «металл — водород» для соединений FeTi и NiMg. В емкости с гидридом FeTi уже при темпе-
ратуре — 20 °C устанавливается избыточное давление 0,1 МПа, что достаточно для подачи водорода в смесительное устройство. Для дальнейшего повышения давления и выделения водорода необходимо нагревать гидрид жидкостью системы охлаждения двигателя. Холодный пуск двигателя без подогрева гидридов возможен таким образом до — 20 °C.
Если для дальнейшего выделения водорода использовать теплоту системы охлаждения, то через радиатор системы охлаждения будет отводиться меньшее количество теплоты и, следовательно, можно иметь и меньшего размера вентилятор. Следовательно, системой охлаждения в этом случае может отводиться лишь некоторая доля неиспользуемой теплоты, другая же ее часть может аккумулироваться в гидриде для извлечения водорода.
Теплоту, аккумулированную в гидриде, необходимо отводить при заправке автомобиля. Ее можно использовать, например, для нагревания технической воды, отопления гаража и т. д. Такой путь можно расценить как улучшение теплового КПД двигателя в более широком смысле этого понятия. О тепловом балансе двигателя с гидридным аккумулятором можно судить по рис. 135, где слева показан тепловой баланс обычного двигателя, а справа — двигателя с питанием водородом из гидридного аккумулятора. Из общего количества поданной в двигатель' с топливом теплоты Q часть Qe используется на эффективную мощность, Qo — на привод вентилятора, a Qz теряется и отводится отработавшими газами и системой охлажде; ния. В водородном двигателе с гидридным аккумулятором из общего количества теплоты Q на эффективную мощность расходуется теплота Qe, теплота Qa используется для нагревания гидрида, теплота Qz теряется.
Таким образом, гидрид представляет собой аккумулятор двойного действия. Когда гидрид заряжается водородом, из него отводится
Рнс. 135. Тепловой баланс двигателей с гидридным аккумулятором и без негоРнс. 135. Тепловой баланс двигателей с гидридным аккумулятором и без неготеплота, когда он «заряжается» теплотой, из него отводится водород. Следовательно, при одной и той же форме и размерах аккумулятор выполняет две функции. При определенной комбинации различных гид-
Рнс. 135. Тепловой баланс двигателей с гидридным аккумулятором и без него
Рнс. 135. Тепловой баланс двигателей с гидридным аккумулятором и без него
Рис. 136. Комбинированное применение гидридов FeTi и NiMg
ридов можно добиться работы двигателя без радиатора системы охлаждения с ее вентилятором.
Гидрид FeTi состоит из относительно тяжелых железа и титана и поэтому масса аккумулированного в нем водорода составляет лишь 2 % от собственной, массы аккумулятора, что представляет собой весьма неблагоприятное соотношение. Лучшее соотношение характерно для гидрида NiMg, включающего сверхлегкий магний; в настоящее время интенсивно ведутся поиски более приемлемых гидридов.
Относительно легкий гидрид NiMg начинает выделять приемлемое количество водорода при нагревании почти до 350 °C. Д.0 такой температуры гидрид можно нагреть лишь отработавшими газами. При холодном пуске двигателя таких температурных условий в автомобиле нет и поэтому гидрид необходимо нагревать иным источником. В данном случае приемлемо сочетание двух гидридов, в частности, гидрид FeTi обеспечивает холодный пуск, а гидрид NiMg — подачу водорода при движении автомобиля, благодаря обогреву гидридного бака отработавшими газами двигателя, как это показано на рис. 136.
Комбинация этих двух гидридов позволяет, кроме того, отапливать или охлаждать салон автомобиля при отключенном двигателе. Если соединить между собой оба гидридных бака, то водород будет перемещаться из емкости с гидридом FeTi, где более высокое давление, в гидрид-
ный бак NiMg с более низким давлением. Резервуар с более высоким давлением будет освобождать водород и, следовательно, охлаждаться, в то время как емкость с более низким давлением будет наполняться водородом и, следовательно, нагреваться. Если климатической установкой автомобиля подавать в салон воздух, обдувающий гидрид- ные баки, то можно обеспечить желаемый температурный режим в салоне при выключенном двигателе. Обдув резервуара с NiMg, однако, будет связан с некоторой потерей водорода.
Все эти свойства гидридов следует учитывать при сравнении водородных двигателей с другими альтернативными приводами.
Гидридный аккумулятор с FeTi, схематически изображенный на рис. 136, представляет собой стальной цилиндр, наполненный гранулами этого металлического соединения. Для лучшего теплообмена в центре аккумулятора расположен также трубопровод, через который проходит жидкость системы охлаждения. При заправке аккумулятора объем наполнителя увеличивается (е чем приходится считаться при его конструировании), а сам наполнительный материал превращается в порошок. Долговечность его не ограничена.
ЗАПРАВКА ВОДОРОДОМ И ЗАПАС ХОДА АВТОМОБИЛЯ
Слабой стороной гидридных аккумуляторов является процесс их зарядки. В начале зарядки наполнение аккумулятора протекает быстро, но затем процесс замедляется и вся зарядка при обеспечении соответствующего отвода теплоты длится 3—10 мин. Зарядку можно ускорить, если незадолго перед ней прекратить нагрев аккумулятора при движении автомобиля, в результате чего емкость к моменту заправки остынет, и образующаяся при зарядке теплота быстрее отводится уже охлажденным гидридным баком. Заряжать гидридный аккумулятор ночью в гараже удобнее, так как можно было бы использовать распределительную сеть' водорода, а отводимую из гидридного бака тепдоту — направить на отопление, например, гаражных помещений
* Наличие бытовой распределительной сети газообразного водорода вследствие его высокой проникающей способности и взрывоопасности представляется достаточно проблематичным- даже в будущем. — Примеч. ред.
19. Зависимость запаса хода автобуса, работающего на водороде, от объема и массы его гидридных баков
Тип гидрида
.Объем бака, л
Масса бака, кг
Количество водорода, кг
Запас хода.
При постоянном объеме гибридного бака
FeTi
50
200
4
150
NiMg
50
100
4
150
MgH
50
100
8
300
При постоянной массе гибридного бака
FeTi
50
200
4
150
NiMg
100
200
8
300
MgH
100
200
16
600
При постоянном запасе хода автобуса
FeTi
50
200
4
150
NiMg
50
100
4
150
MgH
25
50
4
150
Внедрение водорода в автомобильный транспорт будет проходить постепенно, прежде всего из-за необходимости создания соответствующих станций обслуживания. В первую очередь его будут использовать в городском общественном транспорте, имеющем собственные гаражи, где зарядка гидридного аккумулятора будет производиться вечером после окончания работы.
Двигатели, работающие на водороде, были испытаны на городских автобусах во Франкфурте-на-Майне (ФРГ). Емкости аккумуляторов были рассчитаны на работу автобуса в течение дня. В табл. 19 приведены различные комбинации баков с использованными гидридами из условия постоянной массы или постоянного габаритного объема аккумулятора, а также иЗ условия постоянного запаса хода автобуса .
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
После исчерпания запасов ископаемых топлив необходимо будет использовать другие источники энергии. Для сохранения среды обитания их применение при этом не должно сопровождаться повышенным шумоизлучением и выделением вредных для здоровья живых организмов веществ. Под этими другими альтернативными ископаемыми источниками энергии понимаются следующие: энергия солнечного излучения, геотермальная энергия, ядер- ная энергия, энергия приливов и отливов морей и океанов планеты. \
Из числа этих источников наиболее мощной является солнечная энергия. Энергия солнечного света, падающего на земную поверхность в течение одного дня, может удовлетворить годовую потребность человечества в энергии. Пути преобразования солнечной энергии разнообразны. Существует реальная возможность ее превращения непосредственно в электрический ток в солнечных батареях. Однако КПД такого преобразования в настоящее время невысок, а попытки использования солнечных батарей для привода автомобиля пока заканчивались не слишком успешно.
Больший эффект дает способ преобразования солнечной энергии благодаря установке, изображенной на
рис. 137. При помощи направленных зеркал (гелиостатов) , солнечные лучи концентрируются на небольшой поверх- \ ности, где размещен котел с жидкостью. Образующиеся ' при испарении жидкости пары приводят в движение турбину генератора переменного тока, отдающего электроэнергию в линию электропередач. В паровой контур помимо конденсатора дополнительно включен тепловой акку- ‘ мулятор, обеспечивающий подачу пара на турбину, в то ; время когда Солнце не освещает земную поверхность. Несколько таких электростанций уже сданы в эксплуатацию, их мощность составляет несколько ; мегаватт.
Другим способом превращения солнечной энергии в электрическую служит размещение двигателя Стирлинга непосредственно в фокусе параболического зеркала. Схематический разрез генератора дан на рис. 138 [18 J. Рабочий поршень двигателя является одновременно магнитным якорем электрического генератора переменного тока и благодаря упругой газовой опоре в корпусе совершает колебательные движения с небольшой (20 мм) амплитудой. Масса поршня выбрана из условий получения частоты ‘ колебаний, соответствующей промышленной частоте -пере- менного Тока в электрической сети (50 или 60 Гц). Корпус агрегата подвешен упруго, так что обе его части приходят во взаимное колебательное движение. В цилиндрическом корпусе агрегата размещена спираль с охлаждающей • жидкостью; сверху корпус закрыт мембранным клапаном, выполняющим функцию насосного элемента. При движе- i нии колеблющегося корпуса в одном направлении клапан закрыт и движения охлаждающего воздуха нет. При [ движении в противоположном направлении клапан открывается и пропускает воздух через корпус генератора. Мощность двигателя изменяется автоматически в зависи- ' мости от количества подводимой теплоты, однако частота колебаний остается постоянной. Колеблющийся рабочий поршень возбуждает электрический ток в обмотке статора. ' На рис. 139 показаны следующие стадии работы уста- [ нивки:
— вытеснитель движется вверх и газ из расширительной камеры через трубки подогревателя, регенератор < и радиатор поступает в холодную камеру сжатия; газ ' при этом охлаждается. Рабочий поршень находится в верхней мертвой точке и давление в газовой пружине наибольшее;
Рис. 138. Электрический генератор с двигателем Стирлинга, размещаемый в фокусе параболического гелиостата:
1 — мембранный клапан охлаждающего воздуха; 2 — газовая пружина; 3 — упругая подвеска корпуса; 4 — газовый подшипник; 5 — обмотка статора; 6 — газовый подшипник; 7 — пластины радиатора; 8 — водяная ру- башра радиатора; 9 — регенератор; 10 — трубки подогревателя; 11 — теплоизоляция; 12 — солнечные лучи, концентрируемые гелиостатом; 13 — расширительная камера; 14 — вытеснитель; 15 — трубка водяного радиатора; 16 — холодная камера сжатия; 17 — вход охлаждающего воздуха; 18 — рабочий поршень; 19 — спираль водяного радиатора; 20 — пластины водяного радиатора; 21 — выход охлаждающего воздуха
Рис. 139. Работа электрического генератора с двигателем СтирлингаРис. 139. Работа электрического генератора с двигателем Стирлинга— давлением газовой пружины рабочий поршень перемещается в нижнее положение, где находится вытеснитель, и газ в холодной камере сжимается;
Рис. 139. Работа электрического генератора с двигателем Стирлинга
Рис. 139. Работа электрического генератора с двигателем Стирлинга
— сжатый газ проходит через подогреватель и радиатор, нагре
вается и перемещает вверх вытеснитель, имеющий больший диаметр, чем рабочий поршень;
— нагретый газ, имея высокое давление, заставляет оба поршня двигаться вверх и совершать работу; газовая пружина при этом снова подвергается сжатию. Поскольку весь агрегат имеет упругую подвеску и совершает колебательные движения, в результате начинает работать мембранный насос охлаждающего воздуха и таким образом отводится теплота от охлаждающей жидкости.
Солнечная энергия, поступающая на Землю, обеспечивает движение воздуха на планете и нагревает огромное количество воды в мировом океане, способствуя ее циркуляции. Полученную благодаря перемещению этих масс энергию можно преобразовать в другие ее виды и затем использовать для привода автомобиля.
Использование энергии ветра было известно еще на заре технического -прогресса. Ветряные электростанции строили в небольших населенных пунктах, удаленных от линий электропередачи. В последнее время интерес к таким электростанциям постоянно растет и ветросиловые установки совершенствуются. На рис. 140 показаны крупнейшие из созданных в настоящее время ветросиловые генераторные устайовки. Конструкция установки меньшей мощности (100 кВт) представлена на рис. 141.
Геотермальную тепловую энергию можно использовать тем же путем, что и тепловую энергию солнечного света, т. е. на тепловых электростанциях, а большое количество энергии морских приливов и отливов можно, например, преобразовать в электроэнергию на специальных гидроэлектростанциях.
Применение ядерной энергии в последние годы быстро растет, причем этот вид энергии наиболее пригоден для использования в энергетических установках с большими агрегатными мощностями. Однако проблема захоронения и уничтожения продуктов радиоактивного распада атомных электростанций остается по-прежнему неразрешимой.
Рис. 140. Крупнейшие созданные . новки (размеры даны в метрах):1 — генератор «Говнан-П» мощностью генератор «Ютландия»; 4 — генераторРис. 140. Крупнейшие созданные . новки (размеры даны в метрах):1 — генератор «Говнан-П» мощностью генератор «Ютландия»; 4 — генераторветросиловые генераторные уста-ветросиловые генераторные уста-5 МВт; 2 — генератор «Боинг»; 3 —* «Говиан-1»5 МВт; 2 — генератор «Боинг»; 3 —* «Говиан-1»
Рис. 140. Крупнейшие созданные . новки (размеры даны в метрах):
1 — генератор «Говнан-П» мощностью генератор «Ютландия»; 4 — генератор
Рис. 140. Крупнейшие созданные . новки (размеры даны в метрах):
1 — генератор «Говнан-П» мощностью генератор «Ютландия»; 4 — генератор
ветросиловые генераторные уста-
ветросиловые генераторные уста-
5 МВт; 2 — генератор «Боинг»; 3 —* «Говиан-1»
5 МВт; 2 — генератор «Боинг»; 3 —* «Говиан-1»
Рис. 141. Конструкция ветряной электростанции ЭРДА НАСА мощностью 100 кВт:
/ гидравлическое устройство поворота лопастей винта; 2 — генератор; " клиноремённая передача; 4 — повышающий редуктор; 5 — ступица винта;.-6" — лопасть винта; 7 — фундаментная рама; 8 — устройство поворота корпуса установки; 9 — направление ветра
Все рассмотренные альтернативные источники энергии (за исключением ядерной) имеют тот общий недостаток, что они работают нерегулярно и поэтому их энергию необходимо аккумулировать. Кроме того, все альтернативные источники энергии обладают большой масштабностью, вследствие чего они не пригодны для размещения в автомобиле. Для применения в нем энергии этих источников ее нужно преобразовывать в такой вид, который сможет быть применен при эксплуатации автомобилей. Альтернативные источники энергии следует оценивать комплексно, т. е. учитывать функциональность, надежность, безопасность, экономичность. При этом, проводя оценку экономичности автомобиля, следует учитывать все возникающие расходы: от затрат для получения энергии из заменителей топлива до затрат на ее преобразование в механическую энергию для движения автомобиля.
АККУМУЛЯТОРЫ ЭНЕРГИИ
Масса и размеры резервуара, бака или аккумулятора с энергоносителем, используемым для привода автомобиля, ”*в^олжны быть большими. С этой точки зрения, наиболее удобны бензин и дизельное топливо. Но после исчерпания запасов ископаемого топлива заменить их источниками энергии с такими же массогабаритными параметрами будет очень трудно. Об аккумулировании энергии уже говорилось выше. Известные в настоящее время аккумуляторы не удовлетворяют многим современным требованиям, поэтому ведется интенсивный поиск их новых видов, однако достигнутые результаты являются пока малообещающими.
Хотя атомная энергия обладает наибольшей плотностью, способы ее высвобождения очень сложны, а обеспечение защиты от вредного влияния радиоактивного излучения в небольших установках настолько затруднительно, что все преимущества первоначального источника энергии обесцениваются, так как сами установки отличаются чрезвычайной сложностью, большими размерами и массой.
Разумеется, полностью отрицать возможность прямого использования атомной энергии для привода автомобиля нельзя, однако полученные в настоящее время результаты не дают достаточного стимула для продолжения поисков. Преобразование тепловой энергии ядерного излучения в электрическую для транспортных средств наиболее приемлемо, но пока это осуществимо только на стационарных атомных электростанциях *. Ниже приведена плотность энергии (Вт-ч/кг), запасаемой в различных аккумуляторах:
Маховик из стали 20—40
Маховик из материала «Кевлар» . . 70—120
Свинцовый30—35
Серебряно-цинковый 100
Тепловой LiF 470
Гидрид FeTi 470
Гидрид NiMg 940
Гидрид MgH2 (5 % Н2)1 800
Водород 33 000
Бензин11000
Относительно высокой плотностью энергии обладает тепловой аккумулятор на фтористом литии LiF, который
* Этот способ преобразования энергии применяется также в больших судовых энергетических установках. — Примеч. ред.
10 Мацкерле Ю.289
Рис. 142. Процесс зарядки теплового аккумулятора с наполнителем из фтористого лития LiF:Q — кривая подвода энергии к аккумулятору; W — механическая энергия, вырабатываемая в двигателе Стирлинга; ц — КПД двигателя СтирлингаРис. 142. Процесс зарядки теплового аккумулятора с наполнителем из фтористого лития LiF:Q — кривая подвода энергии к аккумулятору; W — механическая энергия, вырабатываемая в двигателе Стирлинга; ц — КПД двигателя Стирлингаплавления LiF, соответствующей 848°C. Для нагревания 1 кг LiF в этом температурном интервале требуется около 220 Вт-ч. Для полного рас-плавления LiF, соответствующей 848°C. Для нагревания 1 кг LiF в этом температурном интервале требуется около 220 Вт-ч. Для полного рас-
Рис. 142. Процесс зарядки теплового аккумулятора с наполнителем из фтористого лития LiF:
Q — кривая подвода энергии к аккумулятору; W — механическая энергия, вырабатываемая в двигателе Стирлинга; ц — КПД двигателя Стирлинга
Рис. 142. Процесс зарядки теплового аккумулятора с наполнителем из фтористого лития LiF:
Q — кривая подвода энергии к аккумулятору; W — механическая энергия, вырабатываемая в двигателе Стирлинга; ц — КПД двигателя Стирлинга
плавления LiF, соответствующей 848°C. Для нагревания 1 кг LiF в этом температурном интервале требуется около 220 Вт-ч. Для полного рас-
плавления LiF, соответствующей 848°C. Для нагревания 1 кг LiF в этом температурном интервале требуется около 220 Вт-ч. Для полного рас-
удалось применить, например, в двигателе Стирлинга. В отличие от электрических аккумуляторов тепловой аю- кумулятор имеет длительный срок службы.
ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР
Принцип теплового аккумулятора заключается в том, что соответствующее вещество нагревается до высокой температуры (или расплавляется) и покрывается теплоизоляционным- слоем, отделяющим его от окружающей среды. Теплота, затрачиваемая для нагревания или расплавления вещества, сохраняется для дальнейшего ис
пользования, и ее можно отводить до тех пор, пока вещество не приобретет температуру, окружающей среды. Такой аккумулятор не изнашивается и поэтому имеет большой срок службы.
Система отвода теплоты от аккумулятора к двигателю должна быть короткой и иметь теплоизоляцию во избежание потерь теплоты. На рис. 142 изображен процесс зарядки теплового аккумулятора на базе LiF, а на рис. 143 —
изменение теплоемкости его наполнителя — фтористого лития LiF в зависимости от температуры. Следует обратить внимание на диапазон температуры от 550 °C до точки
Рис. 143. Изменение теплоемкости С фтористого литня в зависимости от температуры t-
(вертикальный участок кривой Q при температуре 848 °C, рис. 142) необходимо подвести энергию мощностью 472 Вт. ч. Превращение тепловой энергии в механическую в двигателе Стирлинга с таким тепловым аккумулятором будет происходить с определенным КПД г] (см. рис. 142), зависящим от температуры [20]. Окончательная плотность энергии после превращения ее в механическую в такой силовой установке равна приблизительно 200 Вт. ч/кг.
Для передачи теплоты от теплового аккумулятора к двигателю могут быть применены так называемые тепловые трубйи, использующие тепловые эффекты, возникающие при изменении агрегатного состояния вещества, например, металла и соли. В тепловом аккумуляторе (см. рис. 112, гл. 14) для переноса теплоты применен жидкий натрий, испаряющийся в емкости с наполнителем из фто. ристого лития LiF. Пары натрия поступают к головке двигателя Стирлинга, где, отдавая теплоту, конденсируются и по оболочке тепловых трубок (пунктирная линия, рис. 112) вновь возвращаются в емкость с LiF.
Если двигатель не работает, то тепловая трубка закрыта. При хорошей теплоизоляции потери аккумулированной теплоты за 24 ч составляют 12 %. Разумеется, такой результат неприемлем для условий, когда автомобиль не находится в постоянной эксплуатации. В табл. 20
20. Характеристики автомобилей и массы тепловых аккумуляторов, обеспечивающих требуемый запас хода
Параметры автомобиля и аккумулятора
Легковой автомобиль
Город- скоЙ автобус
среднего класса
малого класса
Заданный запас хода, км
322
161
193
Максимальная скорость, км/ч
161
129
88
Максимальная мощность, кВт
70
22
135
Полная масса, кг
1815
1135
13 610
Запас энергии, кВт ч
100
20
300
Объем аккумулятора, дм3
385
77
1154
Масса двигателя и радиатора, кг
216
82
379
Масса теплового трубопровода, кг
32
12
57
Масса наполнителя теплового акку-
530
106
1590
мулятора, кг
21
Масса емкости и теплоизоляции, кг
62
130
Запас хода, км
172
311
206
Запас хода в облегченном варранте
298
480
308
исполнения, км
приведены характеристики различных автбмббилёй и массы тепловых аккумуляторов, требуемых для получения различных запасов хода. По расчетам фирмы «Филипс», представленным в этой таблице, запас хода легкового автомобиля малого класса полной массой 1135 кг при применении теплового аккумулятора, масса которого (с тепловым трубопроводом) составляет 139 кг, будет равен 311 км.
ВОДОРОДНЫЙ АККУМУЛЯТОР
Как уже отмечалось, водород — отличный аккумулятор энергии с широким диапазоном областей применения, причем плотность энергии в единице массы у водорода в 3 раза больше, чем у бензина. Водород весьма пригоден как аккумулятор электроэнергии, вырабатываемой ночью на электростанциях. Его можно транспортировать на большие расстояния как в газообразном, так и в жидком состоянии. При транспортировке водорода в жидком состоянии его низкую температуру используют для снижения сопротивления электрических проводников, размещенных в том же трубопроводе. В космонавтике водород применяют в качестве ракетного топлива. Применение водорода как топлива в автомобилях требует минимальных изменений конструкции двигателя.
Жидкий водород существует при температуре — 253 °C, поэтому емкость для его хранения должна иметь очень хорошую теплоизоляцию. В качестве такой изоляции обычно используют вакуумированную полость (сосуд Дьюара). Низкая температура поддерживается также вследствие постоянного испарения водорода.
В Лос-Аламосской исследовательской лаборатории, США, был создан бак для хранения жидкого водорода ЛП/Д-50 емкостью 190 дм3 водорода. Масса заправленного водорода составляет 13,6 кг, что энергетически эквивалентно 75 л бензина. Масса бака в заправленном состоянии равна 59 кг. Испарение водорода, достигающее 0,8— 3,3 % в сутки, снижает имеющееся небольшое избыточное давление в емкости. Нормальное избыточное давление в водородной емкости при движении автомобиля составляет 41—48 кПа, а максимально допустимое давле^уе в ней — 200 кПа. ' .
Бак для жидкого водорода имеет сферическую форму и поэтому неудобен для размещения в автомобиле. Кроме 292
того, обращение с. жидким водородом связано с риском .его взрыва, поэтому такой способ хранения водорода в, автомобиле непригоден.
“ Хранение водорода в гидридах уже было рассмотрено ргл. 19. Большой объем исследовательских работ по использованию водорода в автомобилях проводит Управление исследований в области энергетики, США. Такие работы ведутся в лабораториях многих научно-исследовательских организаций и высших школ. Подробный обзор исследований применения водорода в 49 двигателях и ^автомобилях был опубликован в [17].
В отчете рассмотрен весь период развития всдэродных двигателей, начиная от первого стационарного одноцилиндрового двигателя воздушного охлаждения, созданного в 1964 г. фирмой «Биллингс», США. В этом двигателе водород подводился по специальному каналу во впускной трубопровод. Мощность регулировалась только количеством вводимого водорода, поступающий воздух не дросселировался, т. е. осуществлялось качественное регулирование. Использованный фирмой «Биллингс» четырехтактный одноцилиндровый двигатель фирмы «Бриггс энд Страттон» рабочим объемом 98 см3 имел степень сжатия 8 = би служил примером простоты конвертирования бензинового двигателя для работы на водороде. За этим двигателем последовали 18 различных водородных двигателей, выполненных на базе серийных. Последним из них был шестицилиндровый двигатель на базе дизеля «Камминс» рабочим объемом 5766 см3.
Большинство созданных водородных двигателей после испытаний были вновь конвертированы в исходное состояние. Испытания проводились, в основном, на сжатом водороде, при этом небольшой запас хода не принимался во внимание. Довольно часто использовался и серийный карбюратор, служивший для подачи воды в целях уменьшения жесткой работы двигателя и вспышек в трубопроводах.
Студенты университета г. Бирмингема, США, в 1966— 1969 гг. проводили истытания различных водородных двигателей в лаборатории фирмы «Биллингс». Исследования финансировала фирма «Форд», которая интересовалась вопросами уменьшения воспламенения («хлопков») в трубопроводах двигателя и снижения жесткости его работы при использовании рабочей смеси, близкой к стехиометри- Збскому составу а = 1. С этой целью применяли подачу 293
воды и рециркуляцию отработавших газов, что ограничивало также и содержание NOX в отработавших газах.
Были также проведены испытания на водороде роторнопоршневого двигателя на автомобиле «Мазда» фирмы «Тойо Когё» и четырехцилиндрового двигателя воздушного охлаждения — на автомобиле «Фольксваген». В двигателе Ванкеля.возникли неисправности в системе смазки, поэтому испытания были непродолжительными. На обоих автомобилях применялась подача воды, что способствовало значительному снижению вредных веществ в отработавших газах, особенно в двигателе «Фольксваген». Для получения подаваемой в двигатель воды использовалась конденсация отработавших газов.
Все испытания показали, что мощность двигателя при работе на водороде ниже, чем при использовании в качестве топлива бензина. При стехиометрическом составе смеси водорода с воздухом водород занимает 29,5 % объема смеси. Кроме того, целесообразно также применять очень бедные смеси водорода с воздухом, что ведет к снижению расхода топлива. Смесь получается более бедной также при использовании рециркуляции отработавших газов и подаче воды. Все это вместе взятое способствует снижению удельной мощности на 20—25 % по сравнению с работой на бензине.. Это явление устраняется подачей водорода после закрытия впускного клапана. Устройство для такого способа питания водородом было показано на рис. 132 (см. гл. 19). Водород начинает подаваться в цилиндр под давлением 15 МПа в положении поршня, соответствующем примерно 6° до ВМТ.
Горение водорода при высокой степени сжатия еще не было подробно исследовано. Следует, однако, отметить, что самовоспламенения водорода не происходит даже при степени сжатия е = 29. В то же время достигнутый коэффициент полезного действия ниже, чем. предполагалось. Расстояние между электродами на свече зажигания при этом необходимо было уменьшить до 0,075 мм. Требуются тщательные исследования превращения NO в NO2 и поглощение NO2 конденсирующимися парами воды. Влияние обеднения смеси на величину коэффициента полезного действия уже было рассмотрено в гл. 8.>,
Целесообразность использования бедных водородовоздушных смесей подтверждается снижением расхода топлива при испытании автомобиля «Форд» модели «Монте-
Карло» с двигателем, работающем на водороде, хранимом В криогенном баке в жидком состоянии. КПД двигателя возрос на 86 % по сравнению с КПД бензинового двигателя, соответственно, снизился и расход топлива.
Стоимость единицы энергии, полученной в виде водорода электролизом воды, почти в 2 раза дороже единицы' энергии, содержащейся в бензине. Так, в США в 1981 г. стоимость энергии водорода составляла 5,12— 8,5 долл/100 кВт.ч, а бензина —2,04—2,73 долл/100 кВт-ч. Таким образом, имеется потребность в разработке новых дешевых способов получения водорода и в совершенство вании существующих.
В настоящее время испытывается новый метод электролиза — фотоэлектролиз. В отличие от обычного электролиза в нем в качестве анода используется чувствительный к свету полупроводник, полученный из окисла железа. От коррозии в растворе электролита (в данном случае — поташа К2СО3) анод защищен тонкой пленкой диоксида титана. Если на такой элемент падает солнечный свет, то возникает электрический ток и происходит процесс электролиза с выделением водорода и кислорода. Следовательно, отпадает необходимость подвода электрического тока извне. Разработки фотоэлектролиза не находятся еще в стадии промышленного освоения и в настоящее время изучаются возможности повышения эффективности использования солнечного излучения для производства водорода [25, 26].
Ведутся также исследования по снижению расхода электрической энергии при электролизе путем применения новых комбинаций материалов электрода н электролита. В результате уменьшения потребления электроэнергии должна снизиться стоимость водорода и при этом не должно происходить загрязнения окружающей среды.
Совершенствуются также и способы термохимического разложения воды, для чего делаются попытки использовать ядерную энергию. Разложение (диссоциация) воды на водород и кислород происходит при ее нагревании свыше 2000 °C. Трудрости состоят в том, чтобы найти методы создания требуемых температур и материалы, способные выдержать такие температуры в течение всего процесса разложения.
Введение в воду некоторых добавок может снизить температуру ее разложения до 760 °C. В настоящее время в,экплуатации находятся два ядерных реактора с системой
газового охлаждения, на которых можно получить такую температуру. Кроме того, требуемую для диссоциации воды температуру можно, получить также и с помощью солнечных коллекторов, но их коэффициент полезного действия пока еще низок.
Ранее уже говорилось о биологических путях производства углеводородных компонентов в результате синтеза воды и углекислого газа. Хлорофил в растениях под воздействием солнечного света производит углеводороды, «отходом» при этом является кислород, необходимый для дыхания живых существ. В лабораторных условиях удалось с помощью этого способа получить водород с коэффициентом полезного действия, равным 37 %. Фотобиологическое производство водорода возможно найдет применение, когда ископаемые виды топлив будут очень дороги или они полностью исчезнут.
По мнению большинства ученых, водород является наиболее вероятным топливом будущего. Вопрос заключается в том, когда и каким способом оно будет производиться в необходимых промышленных масштабах. Осуществить производство значительного количества водорода можно уже в течение ближайших десяти лет, путем использования для этой цели угля, имеющегося в достаточном количестве. Однако постепенно должен произойти переход на использование экологически чистых источников энергии.
ИНЕРЦИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР
Инерционный аккумулятор отлично подходит для кратковременного накопления энергии. Уже отмечалась целесообразность его применения в электромобилях для исключения больших разрядных токов у электрических аккумуляторов и увеличения таким образом их срока службы; в этом случае инерционный аккумулятор выполняет роль гибридного привода. Маховики способны быстро накапливать и отдавать большое количество энергии и поэтому особенно пригодны для аккумулирования энергии при торможении транспортного средства.
В конструкциях современных маховиков, применяемых в инерционных аккумуляторах, находят применение пластмассы и композиционные материалы, например, уже упоминавшийся выше «Кевлар».
В стальных маховиках запас прочности материала’ используется не полностью. Под влиянием центробежных- 296
Рис. 144. Маховик из материала «Кевлар»:
/ — наружный слой обода; 2 — средний слой обода; 3 — внутренний слой обода; 4 — спицы: 5 — кольца обода
сил наибольшие напряжения возникают по периметру маховика, где при превышении предела прочности материала возникают трещины, приводящие к.разрушениям. Обод маховика обычно разрушается на три части, которые вследствие высокой окружной его скорости (достигающей трехкратной величины скорости звука) пробивают корпус маховика и вызывают большие разрушения. При этом материал, сосредоточенный вблизи оси маховика, полностью не используется.
Для изготовления маховиков хорошо подходит выпускаемый фирмой «Дюпон» композиционный материал «Кевлар», обладающий прочностью на разрыв 3500 МПа при плотности 1,44 кг/дм3. Степень использования материала маховика определяется соотношением его плотности и прочности.
Современный маховик показан на рис. 144. Обод маховика состоит из двух колец 5, образованных несколькими слоями «Кевлара». Наружный слой 1 выполнен из «Кевлара-49», средний слой 2 — из «Кевлара-29», внутренний слой 3 — из стекловолокна; спицы 4 изготовлены из композиционного материала на основе графитовых волокон. Такой маховик обладает плотностью энергии 4^Вт-ч/кг. При испытаниях на границе разрушения плотность энергии у этих маховиков достигала 65— 120 Вт- ч/кг. Для снижения аэродинамических потерь маховик помещен в герметичный вакуумированный кор-
пус. Маховик из пластмассы более безопасен, он наносит меньшие повреждения при своем, разрушении, о начале которого сигнализируют вибрации, вызываемые возникающим из-за разрыва волокон дисбалансом. Отслаивающиеся волокна заполняют пространство между маховиком и корпусом, маховик быстро затормаживается . и останавливается, не приводя к разрушению корпуса соседних с ним агрегатов и узлов автомобиля, а также не принося вреда окружающим людям.
ШИНЫ
Как было показано в предыдущих главах, шины оказывают большое влияние на расход топлива. Отмечалось, что автомобиль среднего класса полной массой 1350 кг при скорости 60 км/ч имеет сопротивление качению, равное аэродинамическому сопротивлению, т. е. половина мощности, требующейся для движения с этой скоростью, затрачивается на преодоление трения при контакте шины с поверхностью дороги и преобразуется в теплоту, меньшая часть этой теплоты передается дороге, большая — остается в шине.
Внутреннее трение, возникающее в шине, растет с увеличением толщины ее боковин. Однако при одинаковой нагрузке Q на колеса трение в боковинах двух шин будет значительно превышать трение в более толстых боковинах одной шины, что подтверждают исследования Немечека и Швайды, опубликованные в журнале s-Automobib, № 4, 1981 (см. рис. 145).
Аналогичные явления возникают при торможении. При этом изменяется направление силы, передаваемой от шины дорожному покрытию. Количество образующейся теплоты также определяется внутренним трением в шине, зависящим от величины передаваемой силы. При торможении значительное количество теплоты выделяется непосредственно в тормозах, размещенных внутри обода колеса. Часть ее отводится воздушным потоком, а часть через ступицу колеса передается шине. Теплонапряжен- ность шины достигает значительной величины.
Зависимость температуры шины от внутреннего давления в ней и скорости движения автомобиля показана на рис. 146. При высоких скоростях движения темпера^ тура шины существенно превышает 100 °C. Следовательно, материал шины должен при этой температуре сохранять 298
Рис. 145. Влияние числа шин на сопротивление качению Ff. А — сдвоенные шины типа 10,00-20; Б — одинарная широкопрофильная шинаРис. 145. Влияние числа шин на сопротивление качению Ff. А — сдвоенные шины типа 10,00-20; Б — одинарная широкопрофильная шинаРис. 146. Зависимость температуры шины /ш от давления воздуха в ией Рш н скорости движения автомобиля иРис. 146. Зависимость температуры шины /ш от давления воздуха в ией Рш н скорости движения автомобиля и
Рис. 145. Влияние числа шин на сопротивление качению Ff. А — сдвоенные шины типа 10,00-20; Б — одинарная широкопрофильная шина
Рис. 145. Влияние числа шин на сопротивление качению Ff. А — сдвоенные шины типа 10,00-20; Б — одинарная широкопрофильная шина
Рис. 146. Зависимость температуры шины /ш от давления воздуха в ией Рш н скорости движения автомобиля и
Рис. 146. Зависимость температуры шины /ш от давления воздуха в ией Рш н скорости движения автомобиля и
достаточную прочность и связуемость с кордом, У автомобилей, имеющих высокую максимальную скорость, неблагоприятное воздействие оказывает также центробежная сила протектора, поэтому во избежание отслаивания его от корда необходимо обеспечивать хороший доступ к нему потока охлаждающего воздуха. Для части поверхности шины, соприкасающейся с дорожным покрытием, относительная скорость воздуха равна нулю, поэтому охлаждающий воздух должен направляться на переднюю часть шины либо на ее верхнюю часть.
Влияние шины на трение качения уже было рассмотрено выше (см. 4.1).
ВЛИЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ШИН И УГЛОВ УСТАНОВКИ КОЛЕС
НА РАСХОД ТОПЛИВА
На расход топлива большое воздействие оказывает давление воздуха в шине (рис. 147), поэтому за ним необходимо внимательно следить. Низкое давление вызывает большую степень деформации боковой поверхности шины, что приводит к ее повышенному внутреннему трению и нагреву. В шине с низким давлением воздуха в наибольшей степени изнашивается кромка протектора, износ же центральной части протектора невелик.
В шине с повышенным давлением воздуха трение качения снижается, однако поперечное сечение шины в таком состоянии имеет форму, при которой центр протектора
выступает над его кромками. Площадь контакта шины с поверхностью дороги уменьшается с ростом внутреннего давления в ней; эти факторы способствуют большему изнашиванию центральной части протектора. При нормальном же давлении в шине протектор соприкасается с {Дорожным покрытием по всей своей ширине, на дорогу при этом передается наибольшее тяговое усилие и протектор изнашивается равномерно. По типу износа протектора можно судить о соблюдении правил эксплуатации шин.
Важное значение имеет и регулировка схождения передних, а в ряде конструкций — и задних колес автомобиля. Правильное схождение ограничивает осевые зазоры в подшипниках колес при прямолинейном движении автомобиля и боковой увод колес при его движении на повороте. Если схождение колес большое, то возникают большие осевые усилия, действующие в противоположных направлениях и взаимно уравновешивающие друг друга. Осевые усилия вызывают боковое проскальзывание колес, что приводит к повышенному расходу топлива и большому износу протектора.
При независимой подвеске не всегда удается обеспечить такой угол развала колес, который был бы оптимален для любых нагрузок автомобиля. Поэтому регулировку угла развала необходимо проводить при нагруженном автомобиле. При некоторых типах независимой подвески задних колес их положение также изменяется в зависимости от нагрузки автомобиля и влияет на ездовые каче-
Рис. 147. Влияние давления воздуха в шине и скорости движения автомобиля на коэффициент сопротивления качению /Рис. 147. Влияние давления воздуха в шине и скорости движения автомобиля на коэффициент сопротивления качению /ства автомобиля и износ шин.
Рис. 147. Влияние давления воздуха в шине и скорости движения автомобиля на коэффициент сопротивления качению /
Рис. 147. Влияние давления воздуха в шине и скорости движения автомобиля на коэффициент сопротивления качению /
Контроль за прением качения проводится методом выбега (наката) при испытаниях автомобиля на горизонтальной дороге с хорошим покрытием. Автомобиль движется с определенной скоростью до контрольной отметки, где коробка передач переводится в нейтральное положение и автомобиль далее движется накатом до момента полной остановки. Пройденный путь затем тщательно измеряют и по его величине суд^т о трении качения.
Рисунок протектора также влияет на сопротивление качё-
нию. Наименьшее сопротивление имеет шина, с глад- ким протектором без рисунка из тонкого слоя резины; такой вид имеют гоночные шины. Для обычной эксплуатации автомобиля гладкие шины непригодны, особенно при движении по загрязненной и влажной поверхности дороги. Протектор, предназначенный для движения по влажной поверхности, должен иметь рисунок с достаточным количеством каналов, по которым вода отводится из зоны контакта шины с дорожным покрытием. Рисунок протектора, обеспечивающий безопасное движение по мокрой поверхности, выглядит весьма сложным. При движении автомобиля со скоростью 150 км/ч по дороге с толщиной слоя воды 2 мм шина типа 155 SR13 отводит с дорожного покрытия в час около 8 л воды. Большие каналы для стока воды одновременно уменьшают площадь контакта шины с дорогой и тем самым увеличивают удельное давление на этой поверхности, что увеличивает износ шины. Кроме того, крупный рисунок протектора создает при движении автомобиля повышенный шум. В свете сказанного становится ясно, что выбрать универсальный рисунок протектора, оптимальный для всех условий эксплуатации, очень сложно.
Необходимо также правильно выбрать тип шин и для большегрузного автопоезда. Трехосный автомобиль, у которого на передний мост приходится 6,5 т, а на два задних моста — по Ют массы, 30 — 40 % расходуемого топлива затрачивает на преодоление трения качения. Это было установлено, в частности, при испытании шин фирмы «Юниройал» со стальным кордом (типа «Моноплэй 7^40». Расход топлива, обусловленный только трением качения, составлял 14,1 л/100 км, т. е. 35,2 % от общего расхода топлива, равного 40,1 л/100 км. Боковая поверхность шины «Моноплэй 7^40» имеет один радиальный слой стального корда, под протектором расположено три стальных слоя. Однослойный корд вызывает небольшие внутренние потери в боковой поверхности шины, при этом было выявлено, что шины «Моноплэй» (что означает «однослойный») могут дать экономию топлива 2,3—3 л/100 км по сравнению с обычными шинами грузовых автомобилей.
ШИНЫ ПОВЫШЕННОЙ ПРОХОДИМОСТИ РгТАКТИЧЕСКИЕ ШИНЫ
Для движения по мягкому грунту шины должны соответствовать иным требованиям. Прежде всего необходимо
большое тяговое усилие, которое зависит от коэффициента трения между материалом протектора и материалом дорожного покрытия, а также от прочности покрытия (грунта) на срез. Рисунок протектора делается очень глубоким, а расстояния между его элементами — очень большими. Колесо вдавливается в грунт и с помощью создаваемого протектором «зубчатого» зацепления катится по нему и пробуксовывает только тогда, когда «зубья» ломаются в грунте. Это относится как к сыпучему грунту, так и к глубокому слою снега. -
Крупный рисунок протектора, например типа «елочка», имеет небольшую площадь поверхности, определяемую оттиском протектора на ровном твердом основании. Отношение площади оттиска к площади описанного вокруг него эллипса характеризует степень использования возможной площади контакта на твердой поверхности. Чем меньше эта степень, тем больше удельное давление на поверхности контакта протектора с дорогой и, следовательно, больше степень его изнашивания при движении по твердому дорожному покрытию.
Протектор с мелким рисунком имеет большую площадь контакта и небольшое удельное давление, однако его канавки легко забиваются грунтом, и шина скользит на размокшей грунтовой дороге. Создать универсальную шину, оптимальную как для грунтовой дороги, так и для шоссе с твердым покрытием, весьма затруднительно. Эта проблема решается путем применения так называемых тактических шин, в которых можно изменять давление в процессе движения. На мягком грунте в них поддерживается низкое давление и тем самым увеличивается площадь контакта шины с поверхностью почвы. Такие шины практически не вязнут при движении по бездорожью, а выбором рисунка протектора можно добиться уменьшения сопротивления движению на твердом покрытии.
Стоящий человек воздействует на почву о удельным давлением около 16 кПа; стоя на одной ноге, он увеличивает это давление вдвое, т. е. до 32 кПа. Такое же давление на грунт должно иметь и колесное транспортное средство высокой проходимости. На снежной целине человек должен использовать лыжи, при этом его давление на снег в этом случае будет равно 2,4 кПа, а при использовании одной лыжи — 4,8 кПа.
Для движения по снежной целине автомобиль должен оказывать на снег такое же удельное давление, как и че- 302
ловек, стоящий на лыжах, т. е. менее 4,8 кПа. Достичь этого значения у обычного колесного транспортного средства практически невозможно и поэтому для движения в таких условиях целесообразно использовать транспортные средства с гусеничным движителем. У гусеничных транспортных средств действуют другие правила достижения' небольшого сопротивления движению. Необходимое движение машины по бездорожью, малое ее погружение в грунт или снег достигается большой площадью гусениц. В специальных транспортных средствах для движения по снегу используются резиновые гусеницы с поперечно прикрепленными грунтозацепами. Такой снегоход, предназначенный для создания горнолыжных трасс, показан на рис. 148.
Особое внимание следует уделять управлению гусеничными транспортными средствами. Обычно применяемое притормаживание одной из гусениц, приводимых в движение через дифференциал, неэкономично. При полном затормаживании одной гусеницы другая обладает только половиной тягового усилия и должна преодолевать повышенное сопротивление блокированной гусеницы. Поэтому управление целесообразно выполнять так, чтобы притормаживаемый сателлит дифференциала сохранял некоторую скорость вращения, соответствующую требуемому радиусу поворота машины. В этих условиях обе гусеницы постоянно остаются ведущими. Схема такого
Рис. 148. Специальная гусеничная машина «Ратрак» для подготовки горнолыжных трасс
Рис. 149. Схема управляющего "дифференциала гусеничного' транспортного средства:
1 — вал сателлитов; 2 — приводная шестерня вала сателлитов; 3 — шестерня барабана; 4 — барабан; 5 — тормоз барабана
дифференциала приведена на рис. 149. При прямолинейном движении машины оба тормоза выключены и весь дифференциал вращается с тормозными барабанами 4, как единое целое. При повороте один из барабанов притормаживается тормозом 5 и замедляет вращение, вследствие чего зацепление 5 на барабане начинает вращать через шестерни 2 вал сателлита /. Благодаря этому достигаются различные обороты ведущих валов гусениц.
Подобный принцип применяется в тяжелых гусеничных транспортных средствах, при этом радиус поворота в них меняется в зависимости от включенной ступени в коробке передач; крутые повороты возможны лишь при включении низшей передачи.
Представляет интерес схема управления гусеничного транспортного средства «Трэк Мастер», изображенная на рис. 150. В этой машине применен силовой агрегат автомобиля «Фольксваген», включающий двигатель воздушного охлаждения с коробкой передач и редуктором заднего ведущего моста. На ведущих валах 1 и 2 находятся зубчатые передачи от бесступенчатого клиноременного вариатора, состоящего из ремня 5 и двух регулируемых шкивов 3 и 4. При прямолинейном движении машины оба шкива вращаются с одинаковой частотой и цилиндрические сателлиты дифференциала не работают. Управляя с помощью рулевого колеса соотношением диаметров шкивов и тем самым определяя соотношение- частот вращения ведущих валов, можно достичь желаемого радиуса поворота. ои
Колесные транспортные средства имеют меньшее сопротивление движению, чем гусеничные, поэтому их ист. 304
Рис. 150. Схема управления гусеничного транспортного средства «Трэк Мастер»:
1,2 — ведущие валы; 3, 4 — регулируемые шкивы: 5 — клиновой ремень пользование с экономической точки зрения более целесообразно. До известных пределов требуемые для хорошей проходимости давления на грунт могут быть снижены увеличением числа осей и колес, а также применением уже упомянутых тактических шин с регулируемым' давлением воздуха.
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
Современная концепция легкового автомобиля явилась результатом его длительного, почти столетнего, непрерывного развития. Не следует поэтому ожидать мких-либо больших изменений в сложившейся концепции. Наиболее вероятным будет, по-видимому, увеличение различий между отдельными классами и категориями легковых автомобилей с целью достижения наибольших удобств и экономичности при их использовании. Наибольшим спро- сом в перспективе будут пользоваться небольшие и экономичные автомобили с малым расходом энергии. При Йом повышенное внимание будет уделяться простоте обслуживания и безопасности автомобиля.
В будущем ожидается также улучшение работы общественного пассажирского транспорта, поэтому меньшее число людей будет пользоваться индивидуальным автомобилем для коротких поездок к месту работы.
Поскольку тенденция дорожания материалов сохранится, значительное внимание будет уделено увеличению срока службы автомобиля, особенно его кузова. Значительно расширится применение материалов из пластмасс, более легких, чем традиционные'материалы, и не поддающихся коррозии.
Большое внимание будет уделяться совершенствованию конструкций автомобиля в направлении простоты демонтажа и улучшения доступа отдельных его агрегатов и узлов, в частности для исключения применения очень сложного инструмента, упрощения крепежных соединений. Двигательно-трансмиссионная установка будет выполняться единым блоком, размещаемым вне салона автомобиля и не находящимся под его полом. В широких масштабах будет применяться безразборная диагностика автомобиля и его агрегатов.
Транспортные средства будут и в перспективе классифицироваться на одноколейные и двухколейные. Разделение на эти две категории будет, по-видимому, проводиться в зависимости от пассажире- или грузовместимости транспортного средства. Легковые автомобили малого класса будут предназначены для коротких поездок, например, в целях совершения покупок. Автомобили большего размера будут использоваться для переезда на большие расстояния и для занятий спортом. Помимо этого будет, по-видимому, расти выпуск автомобилей так называемого рекреационного типа, обладающих повышенной проходимостью и оснащенных" соответствующим оборудованием для проведения отдыха. Дальнейшее развитие получат также и грузопассажирские автомобили, позволяющие транспортировать грузы относительно больших размеров после небольшого соответствующего преобразования пассажирского салона.
ОДНОКОЛЕЙНЫЕ
ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА
Спрос на легкие одноколейные транспортные средства — мопеды — первоначально был невелик. Однако в настоящее время мопеды вызывают большой и постоянно расту- 306
щий интерес, поскольку они представляют собой легкие транспортные средства с хорошими эксплуатационными параметрами/ Собственная масса мопеда ие превышает его полную эксплуатационную нагрузку, и это благоприятное соотношение гарантирует небольшой расход топлива.
Мопеды требуют очень несложного обслуживания. Обычно они имеют автоматическое центробежное сцепление и одноступенчатую передачу, чем одновременно ограничивается их максимальная скорость. С точки зрения топливной'экономичности, было бы целесообразно применять бесступенчатую передачу, но это связано с увеличением стоимости мопеда.
Мопед удобен и для передвижения по грунтовым дорогам, так как небольшая масса позволяет легко вытащить его при увязании. Для эксплуатации на грунтовых дорогах мопеды могут снабжаться шинами повышенной ширины.
На мопедах можно перевозить также и достаточный объем груза. В городах с большой плотностью движения они более маневренны и подвижны, чем автомобили; не доставляют они трудностей и при размещении на стоянке. Рабочий объем двигателя мопеда ограничен 50 см3. В этом классе рабочего объема двигателя имеется и много мотоциклов с многоступенчатыми коробками передач и сложным дополнительным оборудованием.
По-видимому, следует ожидать дальнейшего совершен-" ствовання и расширения применения этого массового и экономичного типа транспортного средства. С целью снижения содержания вредных веществ в отработавших газах мопедов целесообразен переход на использование в них четырехтактного двигателя, обеспечивающего также и меньший шум при работе.
Мопед очень удачно дополняет автомобиль на отдыхе, поэтому он должен иметь малые габариты и быть легко размещаем в багажнике автомобиля.
Хорошим примером такого малогабаритного современного мопеда, приспособленного для движения по грунтовой дороге, являются мопеды фирмы «Хонда». Они снабжаются четырехтактным бензиновым двигателем воздушного охлаждения рабочим объемом 50 см® с верхним распределительным ва^ом, широкими шинами. Хорошее компоновочное решение и малошумный двигатель создают условия для" удобной и приятной поездки.
Рис. 151. Четырехцилиндровый четырехтактный мотоциклетный дви» гатель «Хонда», устанавливаемый поперечно на раме мотоцикла
Для движения в условиях пересеченной местности фирма «Хонда» создала также малый трехколесный мотоцикл высокой проходимости с двигателем рабочим объемом 90 см3 и широкими шинами низкого давления, при небольшом давлении выполняющих функцию подрессори- вания. Объем шин таков, что этот мотоцикл может плавать: передвижение по воде обеспечивается вращением ведущих колес. На мотоцикле применена восьмиступенчатая коробка передач. Малое удельное давление в площади контакта шин с поверхностью дороги позволяет двигаться по песку и твердому снежному покрытию.
Мотоциклы более высоких классов предназначены в основном для спортивной езды. Некоторые из них имеют четырех- или даже шестицилиндровые рядные двигатели (рис. 151). Такие мотоциклы применяют почти исключительно в спортивных или специальных целях и их масса, превышающая 200 кг, а также увеличенные размеры двигателей, естественно, не могут обеспечить экономичную эксплуатацию. В будущем, по-видимому, они будут вызов
пускаться в относительно небольших количествах, хотя их стоимость и будет выше стоимости легкового автомобиля малого класса, а расход топлива будет по-прежнему очень велик.
ДВУХКОЛЕЙНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА
К этой категории принадлежат в сущности все автомобили. Трехколейные автомобили встречаются изредка среди очень легких автомобилей с одним передним или с одним задним колесом. Такая конструкция, однако, не является успешной. Ее единственное преимущество состоит в применении меньшего числа шин, но горизонтальная поверхность шины при этом используется плохо, и трехколейные транспортные средства неустойчивы при движении на поворотах.
Трехколейное транспортное средство с одиночным управляемым передним колесом может быть создано на базе мотоцикла с применением двухколесного ведущего заднего моста. Такая конструкция целесообразна для особо малых пикапов, причем в этом случае водитель пикапа, как правило, не защищен от неблагоприятных погодных условий. Применить кабину для повышения комфорта водителя весьма сложно, поскольку такое транспортное средство отличается очень плохой устойчивостью и передвигаться на нем по плохой дороге очень трудно.
Более приемлемо альтернативное решение с одним ведущим задним и двумя управляемыми передними колесами. В этом случае можно применить закрытый кузов, однако площадь горизонтальной проекции автомобиля используется плохо. Такая конструкция требует расположения заднего колеса за подрессоренной вилкой его подвески, что занимает много места. Размещение двигателя сзади по центру автомобиля затрудняет доступ к нему, кроме того, над ним нельзя разместить сиденья: шум и высокие температуры деталей двигателя передаются в пассажирский салон. Доступ к заднему колесу, расположенному по центру автомобиля, крайне неудобен и колесо трудно заменять. При одинаковом размере всех шин нагрузка на ведущее .колесо составляет не более чем 30— ЛО % полной массы автомобиля, что неблагоприятно < точки зрения тяговых и тормозных свойств автомобиля. Такие отрицательные свойства трехколейного автомобиля, как плохая устойчивость, неудобство движения по плохой
дороге, сохраняются также и при этом конструктивном решении. Применение сдвоенных шин не приводит к улучшению свойств трехколейного автомобиля с задним ведущим колесом.
Можно, однако, рассматривать сверхмалый легковой автомобиль как промежуточное звено между мотоциклом и автомобилем. Такое транспортное средство может представлять собой двухместный четырехколесный автомобиль с собственной массой около 200 кг и расположенным под сиденьем двигателем. Малая собственная масса может быть достигнута применением, например, дверей упрощенной конструкции без механизмов опускания стекол, крыши складного типа или из многослойных пластмассовых панелей. Объем багажника должен находиться за сиденьем, над двигателем. Такое транспортное средство может хорошо защищать от непогоды и служить тягачом для прицепа.
Возражения против широкого применения автомобилей сверхмалого класса аналогичны возражениям, выдвигавшимся против использования мопедов, и сводятся к следующему. Ограниченная скорость таких транспортных средств может уменьшить эксплуатационные скорости и пропускную способность дорог с интенсивным движением. При аварии наиболее сильно страдали бы пассажиры таких автомобилей и для того, чтобы эти транспортные средства соответствовали требованиям безопасности, они должны иметь гораздо большую массу. При ограниченном масштабе производства этих автомобилей их стоимость возросла бы до стоимости таких автомобилей, как «Фиат 126» или «Ситроен 2CV».
Во Франции пытаются ввести значительные льготы для водителей с целью поощрения широкой эксплуатации сверхмалых автомобилей. Автомобили этого класса должны иметь максимальный рабочий объем двигателя 50 см3 и максимальную скорость 40 км/ч. Франция всегда была пионером в производстве очень малых и легких автомобилей и, возможно, в этой стране удастся реализовать и это нововведение. Для вождения таких автомобилей не нужно иметь водительские права и их владельцы освобождаются от уплаты налогов на автомобиль. В Италии и Японии сверхмалые автомобили уже находятся в эксплуатации^
Сверхмалые автомобили имеют такую же несовершенную систему защиты от аварий, как и мотоциклы. Статистикой доказано, что при столкновении мотоциклов
с автомобилями водители мотоциклов получают более тяжелые телесные повреждения. Для более легких автомобилей всегда будут наблюдаться и более серьезные последствия столкновений. При этом эффективность пристегивания пассажиров ремнями безопасности весьма проблематична при столкновении с тяжелым автомобилем. Тем не менее, с экономической точки зрения, автомобиль сверхмалого класса был бы более выгоден и более безопасен, чем мотоцикл.
Необходимость экономить топливо вызывает повышенный интерес к малым легковым автомобилям. В современном автомобилестроении существует тенденция: сохранив требуемое пространство для размещения водителя и пассажиров, в максимальной степени уменьшить массу и габаритные размеры автомобиля. У малых автомобилей высота сидений над полом несколько выше, вследствие чего для их размещения требуется меньшая длина пассажирского салона автомобиля и меньшая колесная база. Садиться в автомобиль с более высокими сиденьями удобнее, особенно для пожилых людей.
Автомобиль с двухдверным кузовом имеет более широкие двери, что удобно для размещения груза в салоне автомобиля. Если имеется еще третья задняя дверь, то автомобиль становится универсальным, т. е. грузопассажирским. При откидывании спинок задних сидений в пассажирском салоне образуется дополнительный объем для размещения габаритных грузов или же для устройства постелей.
Перед передними и за задними колесами необходимо иметь зоны деформации, поглощающие энергию удара при столкновении автомобилей. Топливный бак .автомобиля, изготавливаемый желательно из пластмассы, должен размещаться в колесной базе автомобиля. Таковы самые общие принципы концепции современного легкового автомобиля малого класса.
Автомобили малого класса независимо от типа привода (передний или задний) имеют ту общую особенность, что их двигатель объединен с коробкой передач и главной передачей в единый моторно-трансмиссионный агрегат. Рядный двигатель, поперечно расположенный впереди, занимает маЛо места. Заднее расположение двигателя ограничивает величину багажного отсека автомобиля.
Сравнение характеристик автомобилей особо малого класса этих двух компоновочных схем приведено в табл. 21.
21. Характеристики автомо(Тилей особо малого класса различных компоновочных схем
Параметры
Модель автомобиляЧ
«Ситроен 2 СУ»
хфиат 12^*:
Рабочий объем двигателя, см3
602
652
Число цилиндров двигателя
2
2
Диаметр цилиндра, мм
74
77
Ход поршня, мм
70
70
Мощность двигателя, кВт
21,5
17,5
Номинальная частота вращения двига-
5750
4500
теля, мин-1
Число дверей кузова
4
2
Собственная масса автомобиля, кг
560
580
Колесная база автомобиля, мм
2400
1840
Колея передних/задних колес, мм
1260
1140/1205
Длина автомобиля, мм
3830
3055
Ширина автомобиля, мм
1480
1375
Высота автомобиля, мм
1600
1335
Объем багажника, дм8
220
100
Расход топлива в ездовом цикле ЕСЕ,
5,4—6,8.
6,1—7,3
л/100 км
Максимальная скорость, км/ч
115
105
Автомобиль «Ситроен 2CV» имеет передний привод, а «Фиат 126» — автомобиль с задним расположением двигателя.
Эти два альтернативных конструктивных ■ решения были рассмотрены с точки зрения достижений современной техники. Конструкция двигателя при переходе на другие виды топлива может соответствующим образом измениться, влияние же вида топлива на конструкцию автомобиля предусмотреть трудно. В случае применения в автомобиле гибридного привода можно ожидать уменьшения рабочего объема двигателя. Меньший двигатель легче разместить в автомобиле, доступность и обслуживание его упрощаются, однако при повышении надежности двигателя эти свойства уже не будут иметь большого значения.
Предполагается, что автомобили среднего и большого классов не претерпят больших изменений в компоновочных решениях и размещении отдельных узлов по сравнение с современным состоянием. Ожидается развитие и ужес^бл чение требований к шуму и плавности хода автомобилей этих классов. Речь идет не только о работе двигателя, 312
глушителях впуска и выпуска газов, но и о шумности работы вентилятора, о шуме шин, аэродинамическом шуме при открытых боковых окнах или установке багажника на- крыше и т. д. В автомобилях этих классов в будущем возникнет необходимость применять телефонную связь. Развитие подвесок автомобилей среднего и большого классов, по-видимому, будет направлено на осуществление автоматического регулирования дорожного просвета автомобиля в зависимости от его нагрузки или неровностей дороги.
РАЗВИТИЕ
ПАССАЖИРСКОГО АВТОТРАНСПОРТА
Транспорт личного пользования невозможно представить без легкового автомобиля. Уровень культурного и экономического развития нации в настоящее время оценивается в значительной степени тем, какое число жителей приходится на один автомобиль. В последние годы число автомобилей настолько возросло, что затруднилось движение городского транспорта, возникла проблема стоянок автомобилей, повысилось загрязнение окружающей среды.
В легковом автомобиле ценится то, что он дает возможность без пересадок с высокой степенью комфорта и с высокой средней скоростью, т. е. за короткое время, добраться от одного места до другого. Средняя скорость перемещения зависит, однако, не только от мощности двигателя автомобиля, но и от условий движения, т. е. от количества и качества автомобильных дорог, плотности движения и качества его организации, возможности .поставить автомобиль на стоянку и т. д.
В настоящее время во многих городах сложилась ситуация, при которой в часы «пик» к цели можно добраться быстрее пешком, чем на автомобиле. Дорожные заторы снижают среднюю скорость автомобиля почти до 10 км/ч и даже менее, а частые торможения, остановки и разгоны автомобиля вызывают не только повышенный расход топлива, но и большое, загрязнение воздушных бассейнов городов вредными продуктами отработавших газов. Поэтому сейчас настоятельно необходимо совершенствовать не Только автомобили, но и организацию движения транспорта в городах.
Статистические наблюдения показывают, что в легковом автомобиле едут, как правило, один нли два человека и лишь изредка используется полная его вместимость, которая, как правило, составляет не менее четырех мест: три пассажира и водитель. При движении автомобиля с одним водителем полезная нагрузка составляет не более 10%.
С энергетической точки зрения, наиболее целесообразны массовые перевозки рельсорыми транспортными средствами. Автобусные маршруты энергетически менее выгодны, но с их помощью легче обеспечивается выполнение требования доставки пассажиров непосредственно к цели их поездки, поскольку транспортное средство небольших размеров, каким является автобус, легко приспособить к условиям маршрутов, например, в населенных пунктах, а автобусы дальнего следования обеспечивают, кроме того, высокий уровень комфорта в сочетании с большой средней скоростью движения. Автобусное сообщение можно легко организовать на сети шоссейных дорог, при этом обеспечивается доставка пассажиров непосредственно До самой цели с высокой степенью комфорта и регулярностью движения транспортных средств. Правильная организация работы транспорта позволяет приспособить расписание движения автобусов к потребностям перевозок во времени, а числом автобусов достичь необходимой интенсивности их движения. С точки зрения экономии энергии, желательно ограничить число остановок автобуса до минимума и при большом расстоянии между ними двигаться с выключенным двигателем, а также использовать при движении особенности рельефа местности на маршруте.
В будущем ожидается увеличение транспортной подвижности людей и рост объема массовых пассажирских перевозок. В значительной мере удовлетворение этих потребностей населения зависит от организации работы автомобильного транспорта. Однако аналогичные проблемы возникают и на других видах транспорта, в частности, в воздушном, для которого характерна ликвидация коротких авиалиний, заменяемых маршрутными сообщениям автобусов.
Как уже отмечалось, можно ожидать изменений в силовых и трансмиссионных агрегатах автомобилей. Прежде всего изменятся источники механической энергии для привода автомобилей, поскольку будет невозможно полностью обеспечить потребности в жидком нефтяном топ-
ливе для двигателей. Энергия в перспективе будет извлекаться, в основном, из экологически чистых источников, и для использования в автомобилях ее необходимо будет аккумулировать.
, -Наиболее целесообразно ее аккумулировать в виде водорода, который может заменить также природный газ, используемый в быту и промышленности. Аккумулирование водорода в гидридах в настоящее время еще недостаточно совершенно, и наряду с его улучшением ожидается также и улучшение параметров электрических аккумуляторов.
Все ожидаемые изменения в автомобиле будут происходить постепенно, с учетом современного состояния развития автомобильного транспорта, различных его служб. Важное значение будет играть и развитие других средств коммуникации, а также - градостроительная политика. На проезд до места работы и совершение покупок сейчас люди затрачивают много времени и энергии, и нужно стремиться к тому, чтобы в будущем место работы (с точки зрения времени его достижимости) приблизилось к месту проживания, а необходимость поездок к месту проведения многих совещаний и совместной работы отпала благодаря использованию новейших средств телекоммуникации. Легковой автомобиль будет поэтому использоваться преимущественно для индивидуальных путешествий, отдыха, а также для нужд службы здравоохранения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Прочитанная вами книга написана в эпоху бурного развития автомобилизации и именно в тот ее период, когда человечество убедилось, что запасы дешевого ископаемого топлива далеко не безграничны. Государства — поставщики нефти хорошо поняли складывающуюся ситуацию и повысили цены на нефть, чтобы компенсировать свои экономические потери в будущем, после извлечения оставшейся нефти. Это тяжело отразилось на экономике стран, зависящих от импорта нефти, однако повышенные цены на-'-нефть заставили эти страны более экономно расходовать энергию. Ввиду увеличивающегося потребления нефти вследствие постоянного роста моторизации возникла необходимость более экономно расходовать имеющиеся
запасы ископаемого топлива и энергично искать его заменители, особенно для использования в автомобилях.
Современность выдвинула еще одну важную проблему— сохранение чистоты среды обитания. Моторизация в значительной мере повинна в ее загрязнении. Устранение вредных веществ из отработавших газов двигателей автомобилей и вредного влияния их шума является важной и очень сложной задачей. Необходимость ее решения требует поиска новых видов и схем силового привода автомобиля. Наиболее привлекательна возможность использования солнечной энергии — экологически чистой и не нарушающей природного равновесия. Однако все виды экологически чистых энергоносителей немобильны и по этой причине для использования в автомобиле требуют применения легкого, долговечного и емкого аккумулятора энергии. Этим проблемам в книге также уделено довольно большое внимание и проанализированы все формы аккумулирования энергии.
Наиболее целесообразным является дальнейшее использование в современных автомобилях, достигших высокой степени совершенства, двигателей внутреннего сгорания, а следовательно, и сохранения соответствующего оборудования для их производства и хорошо развитой системы их сервиса. Это возможно при использовании в двигателях внутреннего сгорания водорода как топлива.
В книге вы нашли также и описание двигателя Стирлинга. Он обладает хорошим КПД, бесшумен, может работать на многих видах топлива и в его цилиндрах не образуТЬтся вредные для здоровья человека вещества.
Рассмотрение всех взаимосвязанных и разноплановых проблем автомобилизации в небольшой книге является, конечно, очень трудноразрешимой задачей, поэтому некоторые главы книги, по-видимому, содержат в себе определенную неясность. Подробнее познакомиться с рассмотренными проблемами читателю помогут списки литера
туры, приведенные в конце книги.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Sind Breitreifen Benzinfresser?— Automobil Revue. Bern, 1979. N 48. S. 33.
Hucho A. W. Systematischeres Erforschen der Fahrzeugaeno- dynamik. — Automobil Revue. Bern, 1977. N 26. S. 41.
Blason L. Counting the Cost.— Autocar, 1979. 4, August.‘£/25.
Gilhaus H. Aerodynamische Verkleidungen als EnergieSpar- massnahme bei Lastzugen. — Automobil Revue. Bern, 1979. N 35; S. 3.
Fiala E. Ein Weg zum geringstmoglichen Treibstoffverbrauch.— Automobil Revue. Bern, 1980. N 5. S. 35.
Ricardo H. R. The High-Speed Internal Combustion Engine,!— Blackie-Son Limited. London, 1955./
Pye D. R. Die Brennkraftmaschinen. Springer. 1933. ' . . .
Kozousek J. Vypocet a konstrukce spalovacich motoru. I—IV. CVUT. 1973—1976.
Dicksee С. B. Diesel Engine Design and Performance in Great Britain. — Sae Transactions, 1951. P. 151.■
Kozousek J. Spalovaci motory. — Praha, SNTL, 1956. '
Der VW Diesel — ein guter Wurf.— Automobil Revue. Bern, 1977. N 10. S. 37.
An uncooled, unlubricated diesel? — Automotive Engineering. 1979. June. P. 59..
Insulated piston raise diesel efficiency. — Automotive Engineering. 1978. June. P. 72.
The Vital Spark. — Autocar. 1981. 7, February. P. 19.
Kozousek J. Vypocet a konstrukce spalovacich motoru. I. Praha, SNTL, 1978.
Hooker R. J. Orion — A Gas—Generator Turbocompound Engine. - SAE Tr. 1957. P. 293.
Escher J. D. The Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engine, a Technical Survey of Contemporary. — U; S. Projects, ETA Report PR-51. Washington, 1975. September.
Lindsley E. F. Solar Stirling Engine. — Popular Science. New York, 1979. June. P. 74.
Scoot D. World’s biggest wind machine is a one-armed monster. — Popular Science. New York, 1981. January. P. 83.
Meijer R. J. Prospects of the Stirling engine for vehicular propulsion.— Philips Technical Review, 1970. Vol. 31, N 5/6. P. 168.
Fischer J. Treibstoffersparnis durch ausgefeilte Aerodynamik.— Automobil Revue. Bern, 1977. N 40. S. 33.
Fersen O. Das Elsbett — Dieselmotorkonzept. — Automobil Revue. Bern, 1980. N 36. S. 35.
Der Wankel Lebt — sagt Toyo Kogyo. — Automobil Revue. Bern, 1977. N 7. S. 37.
Wilkins G. Neues automatisches Schalgetriebe aus England. — Automobil Revue. Bern, 1980. N 15. S. 37.
Hill R. Before the oil runs out... The search for cheaper hydrogen.— Popular Science. New Ycrk, 1981. P. 10.
Lindsley E. F. Bo.ttoming-cycle engines. — Popular Science. New York, 1976. January. P. 82.
СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Energie. Ford Energie-Report. Band 1. Jesse Broad Limited. England, 1981.
Fiala E. Das Auto der 80er Janhre, Auto 88, VW 1980.
Giessel R. Design of the 4-215 D. A. Automotive Stirling Engine. SAE Preprint 770082, 1977.
Asselman, Spirt, Meijer. Design Considerations on a Thermal Energy Storage Stirling Engine Automobil. SAE Transaction 770080, 1977.
Beukering F. Present State of the Art of the Philips Stirling Engine. 1973.
Stirling square-four for limited production. Automotive Engineering. 1978. May.
Ross A. Stirling Cycle Engine. Published by Solar Engines Phoenix. 1977.
Mackerle J. Automobil dneska a zitrka. Praha, SNTL, 1977. (Опубликован русский перевод: Мацкерле Ю. Автомобиль сегодня и завтра. М.: Машиностроение, 1980. 384 с.)
Mackerle J. Air-cooled Automotive Engines. Praha, SNTL, 1972.
Kalcik J., Sykora K. Technicka termomechanika. Praha, Academia, 1973.
Ю. Мацкерле
,,Современный экономичный автолк
УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!
Для получения информации о качестве nepeBoj изданий редакция просит Вас отметить галочко^
зиции, соответствующие Вашей
оценке этой
Линия отреза
Необходимость издания пере- □
значительная Mil незначительная'
водов по данной теме:
□
Эффективность книги зрения практического
с точки вклада:
□ □ □
высокая незначительная затрудняюсь отвй тить
Эффективность книги с точки □ зрения теоретического вклада: □
высокая\
незначительная .-_ затрудняюсь ота^ тить
Книга соответствует уровню достижений науки и техники:
□ □ □
в полной мере частично слабо
Книга сохранит свою актуальность в течение:
□ □ □
не более 1—2 Лбг около 5 лет длительного времени
Целесообразность этой книги
издания
□ □
значительная незначительная.
Качество перевода (стиль и терминология):
□ □
□
хорошее
удовлетворительное
низкое
1 На современных легковых автомобилях подвески такого типа в настоящее времи практически уже не применяются. — Примеч. ред.
Automobil s lepsi ucinnosti Ing. Julius MackerieAutomobil s lepsi ucinnosti Ing. Julius Mackerie
Automobil s lepsi ucinnosti Ing. Julius Mackerie
Automobil s lepsi ucinnosti Ing. Julius Mackerie
Ю.МАЦКЕРЛЕ
СОВРЕМЕННЫЙ ЭКОНОМИЧНЫЙ АВТОМОБИЛЬ
Перевод с чешского В. Б. Иванова
Под редакцией
канд. техн, наук А. Р. Бенедиктова
Praha 1985
$NTL ~ Nakladatelstvf technick6 literatury *
Москва «Машиностроение» 1987
ББК 39.33ББК 39.33Усл. печ. л. 16,8. Усл. кр.-отт. 16,8. Уч.-нзд. л. 17,6Тираж 40 000 экз. Заказ СО. Цена 1 р. 50 к.Усл. печ. л. 16,8. Усл. кр.-отт. 16,8. Уч.-нзд. л. 17,6Тираж 40 000 экз. Заказ СО. Цена 1 р. 50 к.
ББК 39.33
ББК 39.33
Усл. печ. л. 16,8. Усл. кр.-отт. 16,8. Уч.-нзд. л. 17,6Тираж 40 000 экз. Заказ СО. Цена 1 р. 50 к.
Усл. печ. л. 16,8. Усл. кр.-отт. 16,8. Уч.-нзд. л. 17,6Тираж 40 000 экз. Заказ СО. Цена 1 р. 50 к.
ББК 39.^» ■
М36
УДК 629.114.6«312»
Мацкерле Ю.
М36 Современный экономичный автомобиль/Пер.
с чешек. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.
(В пер.): 1 р. 50 к.
В новой книге известного чехословацкого специалиста рассмотрен широкий круг проблем, связанных с повышением топливной экономичности автомобиля. Анализируются вопросы улучшения характеристик двигателя, совершенствования ходовой части и аэродинамических качеств кузова, оптимизации конструкций отдельных агрегатов и узлов автомобиля. Уделено внимание развитию новых типов автомобилей с силовыми установками на основе использования альтернативных топлив, электрических аккумуляторов, гибридных приводов и др.
Для инженерно-технических работников автомобилестроения, студентов вузов и учащихся'техникумов, изучающих автомобилестроение; может быть полезной широкому кругу читателей, интересующихся проблемами развития автомобилестроения.
038 (01)-87
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
ЮЛИУС МАЦКЕРЛЕ
СОВРЕМЕННЫЙ ЭКОНОМИЧНЫЙ АВТОМОБИЛЬ
Редактор Е. О. Личнова
Художественный редактор С. Н. Голубев
Переплет художника Р. Я. Казакова
Технический редактор И- Н. Раченкова
Корректор О. Ю. Садыкова
ИБ № 5469
Сдаио в набор 20.01.87. Подписано в печать 21.04.87. Формат 84X10 8 Vas*
Бумага типографская № 1., Гарнитура литературная. Печать высокая.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение».
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга* им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, г. Ленинград, ул. МОисееико, 10.
© Ing. Julius Mackerle, 1985
© Перевод на русский ^я4ы^д «Машиностроение», 1987
ОГЛАВЛЕНИЕ
L Введение.
Энергетическая ситуация в мире 10
Минимальная энергия, необходимая для движения автомобиля 16
Сопротивление качению■ 16
Влияние подрессоривания на сопротивление движению17
Аэродинамическое сопротивление 19
Сопротивление при движении на подъеме 22
. 3.5. Сопротивление при ускорении автомобиля 22
Малая масса автомобиля 24
Передача мощности от двигателя к ведущим колесам25
Реактивные силы, вызывающие потери энергии при . движении 28
Некоторые примеры снижения потребления топлива29
Уменьшение сопротивления движению 31
Сопротивление качению автомобиля 32
Аэродинамическое сопротивление автомобиля . . . .40
Аэродинамически совершенная форма кузова42
Спойлеры 48
Влияние некоторых изменений в конструкции автомобиля на снижение сопротивления движению ....54
Снижение аэродинамического сопротивления грузовых автомобилей 56
Влияние равномерности движения на расход топлива ...59
Аккумулирование энергии при торможении и гибридные приводы 66
Инерционные приводы 69
Гибридные приводы 72
Уменьшение массы автомобиля 79
\7.1. Влияние назначения и конструктивного решения авто- \/ мобиля на его массу 79
Влияние требований к безопасности автомобиля на его $ массу 85
'/7.З.. Использование^пластических масс 87
Использование легких сплавов 89
Распределение массы между осями автомобиля . . . .91
гх"б
Пути повышения индикаторного КПД двигателя внутреннего сгорания 94
Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания 96
Влияние степени сжатияна индикаторныйКПД...105
Детонационное сгораниев бензиновом двигателе...НО
Влияние состава смеси на индикаторный КПД двигателя 114
Камеры сгорания бензиновых двигателей 118
Камеры сгорания бензиновых Двигателей, обеспечивающие сжигание бедных смесей .. .125
Камеры сгорания дизелей 131
Характеристика крутящего момента двигателя . . . .141
Потери теплоты, отводимой в систему охлаждения и уносимой с отработавшими газами 145
Теплота, отводимая в систему охлаждения148
Адиабатные двигатели 150
Отвод теплоты в воздух и его регулирование154
Использование теплоты, уносимой с отработавшими газами 163
Турбонаддувдвигателя 165
Наддув типа«Компрекс» 175
Пути повышения механического КПД двигателя внутреннего сгорания 178
Потери на трение в цилиндропоршневой группе и подшипниках 180
Потери пригазообмене 182
Потери на привод вспомогательного оборудования двигателя 183
Потери иа привод дополнительного оборудования автомобиля 183
Сравнение механических потерь в бензиновом и дизельном двигателях 184
Влияние диаметра цилиндра и хода поршня иа эффективный КПД двигателя внутреннего сгорания 186
Преимущества и недостатки цилиндра с большим рабочим объемом 188
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра . • • .190
Другие пути снижения расхода топлива двигателем ....192
Выключение цилиндров .193
Плазменное зажигание 197
Снижение выброса токсичных веществ с отработавшими газами 200
Образование окиси углерода СО и углеводородов СНХ .. .206
Образование окислов азота NOx 207
Другие токсичные вещества 209
Определение допустимого количества вредных веществ 211
Автомобильные двигатели нетрадиционных типов и схем 212
Двухтактные двигатели 219
Паровые машины 223
Газотурбинные двигатели 225
Двигатели Стирлинга 231
Потери энергии в трансмиссии автомобиля 244
Гидромуфты и гидротрансформаторы 246
Бесступенчатые механическиеприводы 248
Гидростатические приводы 250
Электрическая трансмиссия 256
Переключение передач и дифференциалы 257
Дифференциалы 258
Электромобили 261
Электрические аккумуляторы 265
Параметры и конструкции созданных электромобилей 266
Природные заменители нефтяных топлив•• •268
Природный газ 270
Уголь 271
Биомасса 271
Водород и возможности его применения в автомобиле . . .273
Свойства водорода 273
Необходимые изменения в двигателях внутреннего сгорания для сжиганиявиихводорода 275
Хранение водорода 277
Заправка водородомизапасходаавтомобиля. . . .281
Альтернативные источники энергии 283
Аккумуляторы энергии 289
Тепловой аккумулятор 290
Водородный аккумулятор 292
Инерционный аккумулятор 296
Шины 298
Влияние технического состояния шин и углов установки колес иа расход топлива 299
Шииы повышенной проходимости и тактические шииы 301
Перспективы развития легковых автомобилей 305
Одноколейные транспортные средства 306
Двухколейные транспортные средства 309
Развитие пассажирского автотранспорта 313
* 25. Заключение 315
Список литературы * . * 317