Источники энергии автомобиля

Для движения автомобиля нужна энергия. Только на спусках или после разгона автомобиль может пройти некоторый отрезок пути без помощи двигателя, расходуя энергию, накопленную за время подъема или разгона. Во всех прочих условиях и для подъема на вершину, с которой начинается спуск, и для разбега источником энергии на автомобиле служит двигатель. На подавляющем большинстве автомобилей — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком нефтяном топливе (бензине, дизельном топливе) или на газе (газогенераторные и газобаллонные автомобили). Существуют также электрические, паровые, газотурбинные автомобили. Впрочем и поршневой двигатель внутреннего сгорания здесь изучать не будем, поскольку применительно к теории автомобиля необходимо знать о двигателе сравнительно немного. Такие разделы теории автомобиля, как устойчивость, управляемость, плавность хода, вовсе или почти не связаны с работой двигателя. Работа двигателя имеет наибольшее значение для динамики и экономики автомобиля.

О двигателе нужно сейчас знать лишь, что дает двигатель для движения автомобиля, т.е. знать так называемые скоростные характеристики двигателя; кроме того, надо знать, в каком количестве двигатель расходует топливо, т.е. знать его так называемую экономическую или топливную характеристику.

Вспомним, что величина мощности означает число килограммов, которые могут быть подняты на высоту 1 м в 1 сек. 1 лошадиная сила — это мощность, необходимая и достаточная для того, чтобы поднять 75 кг на высоту 1 м в 1 сек., а 52 л. с. (мощность двигателя автомобиля М-20 «Победа»), чтобы поднять в то же время на ту же высоту 52 * 75 = 3900 кг. Если ввести в систему передачи пару шестерен с передаточным числом, например 2 (ведомая шестерня вдвое больше ведущей), можно будет поднимать вдвое больший груз, но зато и вдвое медленнее, так что мощность останется неизменной.

Таким образом мощность, переданная к ведущим колесам автомобиля, не может быть больше мощности, полученной от двигателя, какие бы устройства не были применены в системе передачи усилия от двигателя к колесам.

Другое дело — крутящий момент, величина которого равна произведению числа килограммов, которые могут быть сдвинуты рычагом или вращающимся колесом, на длину этого рычага или радиус колеса. Ясно, что, меняя длину рычага или радиус колеса, можно уменьшать или увеличивать момент. Если наибольший крутящий момент двигателя М-20 равен 12,5 кгм, то это значит, что при радиусе маховика этого двигателя, равном 200 мм, можно закрепить на маховике груз, равный 62,5 кг, и стронуть этот груз с места вращением маховика при работе двигателя:

62,5 кг * 0,2 = 12,5 кгм

Для того чтобы сдвинуть с места автомобиль, потребуется значительно больший момент, и этот момент можно получить, вводя в систему силовой передачи пары шестерен с соответствующими передаточными числами. Перемещение автомобиля в момент трогания с места будет происходить медленнее, чем происходило бы перемещение груза на ободе маховика.

Скоростные характеристики представляют собой кривые изменения мощности и крутящего момента, развиваемых двигателем, в зависимости от числа оборотов его вала при полной или частичной подаче топлива (дизель) или открытии дроссельной заслонки (карбюраторный двигатель).

Рис. Внешние характеристики двигателей показывает изменение мощности и крутящего момента, разбиваемых при разных числах оборотов вала. Слева — характеристики двигателей легковых автомобилей, справа — грузовых.

Наиболее важной является скоростная характеристика двигателя, построенная для двигателя, работающего при полностью открытой дроссельной заслонке. Такую характеристику называют внешней.

Внешнюю характеристику вычерчивают на основе испытания двигателя на стенде, называемом тормозным.

Принцип испытания может быть объяснен схематически следующим образом:

• двигатель работает с заданным числом оборотов вала, которое измеряют тахометром
• на продолжении вала устанавливают тормоз
• этим тормозом задерживают вращение вала двигателя и определяют силу, которая для этого потребовалась
• производя необходимые расчеты, определяют мощность двигателя и его крутящий момент при заданных оборотах
• повторяя испытания для разных чисел оборотов, наносят на график ряд точек и проводят через эти точки кривые мощности и крутящего момента двигателя

Во внешней характеристике двигателя наиболее существенными являются самые верхние точки кривой — точки, соответствующие наибольшим (или максимальным) мощности и моменту, которые обычно и записываются в технические характеристики автомобилей и их двигателей; например, для двигателя автомобиля М-20 «Победа»:

• наибольшая мощность 52 л.с. при 3800 об/мин;
• наибольший крутящий момент 12,5 кгм при 1800 об/мин.

В результате большого накопленного опыта по испытаниям двигателей удалось найти формулы, по которым можно строить приблизительную внешнюю характеристику любого двигателя, зная только его наибольшую мощность и соответствующее ей число оборотов вала. Вот одна из простейших и достаточно точных формул для подсчета мощности карбюраторного двигателя (формула С.Р.Лейдермана):

где Nе — искомая мощность при данном числе оборотов;
Nm — наибольшая мощность;
n — данное число оборотов;
nm — число оборотов, соответствующее наибольшей мощности.

Рис. Частичная скоростная характеристика двигателя показывает изменение мощности, развиваемой при различном открытии дроссельной заслонки карбюратора.

Если известны мощность и соответствующее ей число оборотов вала, крутящий момент можно подсчитать по формуле

М = 716,2* N/n

Если в формулу подставлять значения мощности, подсчитанные по предыдущей формуле, наибольший крутящий момент для современных двигателей получится меньшим, чем в действительности, примерно на 15%.

Скоростные характеристики, построенные для двигателя, работающего при неполном (частичном) открытии дроссельной заслонки, называют частичными.

Экономическая характеристика двигателя отражает удельный расход топлива, т.е. расход топлива в граммах на 1 лошадиную силу в час; эта характеристика, как и скоростные характеристики двигателя, может быть построена для работы двигателя при полной нагрузке или частичных нагрузках.

Рис. Экономические характеристики двигателя М-20 «Победа» при различном открытии дроссельной заслонки.

Важно отметить, что при уменьшении открытия дроссельной заслонки на получение каждой лошадиной силы мощности приходится затрачивать больше топлива. При неизменном положении дроссельной заслонки расход топлива зависит от скорости вращения вала двигателя, причем наименьший расход получается при меньшем числе оборотов вала, чем число оборотов, соответствующее максимальной мощности.

Пользуясь экономической характеристикой двигателя и зная передаточные числа силовой передачи автомобиля, радиус качения колеса и условия движения, можно определить расход топлива автомобилем при движении с данной скоростью.

Приведенное описание характеристик двигателя является несколько упрощенным, но достаточно для практической оценки динамической и экономической характеристики автомобиля.