Внешняя скоростная характеристика¶

Внешняя скоростная характеристика (ВСХ) — это графическая зависимость основных показателей работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) от частоты вращения коленчатого вала при полностью открытой дроссельной заслонке (для карбюраторных двигателей) или при максимальной подаче топлива (для дизельных двигателей). ВСХ является важнейшей паспортной характеристикой двигателя, определяющей его тягово-экономические свойства и пригодность для использования в конкретных условиях эксплуатации.

¶Определение и сущность

Внешняя скоростная характеристика отражает зависимость крутящего момента (Mк, Н·м), эффективной мощности (Nе, кВт), удельного расхода топлива (gе, г/кВт·ч) и часового расхода топлива (Gт, кг/ч) от частоты вращения коленчатого вала (n, об/мин). Она снимается на стендовых испытаниях при полностью открытом дросселе (или при максимальной подаче топлива) и установившемся тепловом режиме двигателя. В отличие от частичных скоростных характеристик, которые снимаются при неполном открытии дросселя, ВСХ показывает максимально возможные показатели двигателя на каждой частоте вращения.

¶Классификация

В зависимости от типа двигателя и способа смесеобразования различают:

• ВСХ бензиновых двигателей — характеризуется плавным возрастанием крутящего момента до определённой частоты, затем его спадом. Мощность растёт до максимума, после чего снижается из-за увеличения механических потерь и ухудшения наполнения цилиндров.
• ВСХ дизельных двигателей — имеет более пологую форму кривой крутящего момента, что обеспечивает лучшую приспособляемость к нагрузке. Максимальный крутящий момент у дизелей обычно достигается при более низких оборотах, чем у бензиновых двигателей.
• ВСХ газовых двигателей — по форме близка к бензиновой, но с некоторыми особенностями, связанными с меньшей теплотворной способностью газового топлива и изменением условий сгорания.

¶Основные параметры ВСХ

¶Крутящий момент

Кривая крутящего момента на ВСХ имеет характерный вид: сначала он возрастает, достигает максимума (Mк max), а затем снижается. Максимальный крутящий момент достигается при частоте вращения nм, обычно составляющей 40–60 % от номинальной частоты. Для бензиновых двигателей nм находится в диапазоне 2500–4000 об/мин, для дизелей — 1500–2500 об/мин.

¶Эффективная мощность

Эффективная мощность Nе рассчитывается как произведение крутящего момента на угловую скорость (Nе = Mк·ω). На ВСХ кривая мощности имеет возрастающий участок, достигает максимума (Nе max) при частоте nN, а затем снижается. Для большинства двигателей nN превышает nм. Например, для бензинового двигателя ВАЗ-2106 (1,6 л) максимальная мощность 55 кВт достигается при 5600 об/мин, а максимальный крутящий момент 121 Н·м — при 3000 об/мин.

¶Удельный расход топлива

Удельный расход топлива gе на ВСХ имеет минимум при частоте вращения, близкой к частоте максимального крутящего момента. По мере увеличения или уменьшения оборотов gе возрастает, что связано с ухудшением условий смесеобразования и сгорания. Для современных бензиновых двигателей минимальный удельный расход составляет 220–260 г/кВт·ч, для дизелей — 180–220 г/кВт·ч.

¶Часовой расход топлива

Часовой расход топлива Gт возрастает с увеличением частоты вращения, так как за один цикл в цилиндры поступает больше топлива. На ВСХ эта зависимость близка к линейной, но при высоких оборотах рост замедляется из-за ухудшения наполнения.

¶Методика снятия

Снятие ВСХ производится на моторном стенде, оборудованном тормозным устройством (гидравлическим, электрическим или фрикционным). Двигатель выводят на установившийся тепловой режим (температура охлаждающей жидкости 80–95 °C, масла 70–90 °C). Затем при полностью открытой дроссельной заслонке (или при максимальной подаче топлива) последовательно устанавливают несколько фиксированных значений частоты вращения (обычно 8–12 точек) и измеряют крутящий момент, расход топлива и другие параметры. По полученным данным строят графики.

¶Применение в автомобилестроении

ВСХ используется для:

• Расчёта тягово-скоростных свойств автомобиля — на основе ВСХ определяют динамический фактор, максимальную скорость, время разгона.
• Подбора передаточных чисел трансмиссии — чтобы обеспечить работу двигателя в зоне оптимальных оборотов (с максимальным крутящим моментом или минимальным расходом топлива).
• Оценки приспособляемости двигателя — коэффициент приспособляемости K = Mк max / Mк (при номинальной мощности) характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки без переключения передач. Для бензиновых двигателей K = 1,1–1,4, для дизелей — 1,15–1,7.
• Сравнения двигателей — ВСХ позволяет объективно сопоставить характеристики разных моторов.

¶Особенности для различных типов двигателей

¶Бензиновые двигатели

Характерной особенностью ВСХ бензиновых двигателей является наличие ярко выраженного максимума крутящего момента и относительно узкого диапазона устойчивой работы. Это связано с ограничениями наполнения цилиндров на высоких оборотах и ростом механических потерь. Например, двигатель ЗМЗ-406 (2,3 л) имеет максимальную мощность 110 кВт при 5200 об/мин и максимальный крутящий момент 206 Н·м при 4000 об/мин.

¶Дизельные двигатели

Дизели имеют более пологую кривую крутящего момента, что обеспечивает лучшую приспособляемость к нагрузке и меньшую чувствительность к изменению оборотов. Максимальный крутящий момент у дизелей достигается при более низких оборотах (1500–2500 об/мин), а мощность продолжает расти до 4000–4500 об/мин. Например, дизель ЯМЗ-238 (14,9 л) развивает максимальную мощность 176 кВт при 2100 об/мин и максимальный крутящий момент 883 Н·м при 1300–1500 об/мин.

¶С турбонаддувом

Двигатели с турбонаддувом имеют более высокие значения крутящего момента и мощности по сравнению с атмосферными аналогами. На ВСХ таких двигателей часто наблюдается «полка» крутящего момента — участок, где момент остаётся почти постоянным в широком диапазоне оборотов (например, 2000–4000 об/мин). Это достигается за счёт регулирования давления наддува.

¶Значение в эксплуатации

Водители и механики используют ВСХ для выбора оптимального режима движения. Например, для экономичной езды на бензиновом автомобиле рекомендуется поддерживать обороты в зоне минимального удельного расхода топлива (обычно 2000–3000 об/мин). Для динамичного разгона — в зоне максимального крутящего момента (3000–4000 об/мин). Для дизельных двигателей экономичный диапазон сдвинут в сторону низких оборотов (1500–2500 об/мин).

¶Критика и ограничения

ВСХ не учитывает переходные процессы (разгон, торможение), влияние температуры окружающей среды, износ деталей и качество топлива. Она снимается в идеальных стендовых условиях, поэтому реальные показатели двигателя на автомобиле могут отличаться на 5–15 %. Кроме того, ВСХ не отражает работу двигателя на частичных нагрузках, которые составляют основную часть эксплуатационного времени.

¶Интересные факты

• Первые ВСХ были сняты в конце XIX века для паровых машин, а для ДВС — в 1900-х годах.
• В гоночных двигателях максимум мощности смещён в сторону высоких оборотов (до 8000–12000 об/мин), а крутящий момент имеет узкий пик.
• Современные электронные системы управления двигателем (ЭСУД) позволяют корректировать ВСХ в реальном времени, изменяя угол опережения зажигания и состав смеси.

¶Источники

• Луканин В. Н., Шатров М. Г., Камфер Г. М. «Теплотехника и тепловые двигатели». — М.: Высшая школа, 2008.
• Дьяченко В. Г. «Теория двигателей внутреннего сгорания». — М.: Машиностроение, 2005.
• ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний».
• Файнлейб Б. Н. «Топливная аппаратура автотракторных дизелей». — М.: Машиностроение, 1990.
• Руководство по эксплуатации двигателя ЗМЗ-406, ОАО «Заволжский моторный завод».