Нестационарные режимы работы

Автомобильных АГРЕГАТОВ

При движении АТС (особенно в городских условиях) режимы работы двигателя постоянно изменяются. Имеют место так называемые нестационарные (неустановившиеся) режимы работы, характеризующиеся постоянным  изменением частоты вращения коленчатого вала (ЧВКВ) двигателя  (n, мин^-1) и нагрузки (в упрощенном смысле  –  подачи топливовоздушной смеси в цилиндры). Нагрузку на двигатель наиболее правильно оценивать средним эффективным давлением (р _е, кПа), т.е. средним давление газов в цилиндре, которое действует на поршень в течение  одного рабочего хода, совершает работу, равную эффективной работе на коленчатом валу двигателя [13].

Нестационарные режимы являются преобладающими при эксплуатации автомобилей и составляют от всего времени движения: примерно 95% – при интенсивном городском движении; около 85-90% – при движении по грунтовым дорогам; 30-35% – на загородных усовершенствованных автомобильных дорогах.

При нестационарных режимах работы двигателя, в сравнение с установившимися, интенсивность изнашивания поршневых колец увеличивается до 3,5 раз, поршней – до 2,5 раз. В среднем износ двигателя возрастает в 3-4 раза. Расход топлива увеличивается не менее чем на 15%, Поэтому при движении по загородной дороге экономичность АТС на 1-1,5 литра выше, чем при городской эксплуатации. Данная  информация  имеет  большое  значение  для  разработки  рациональных режимов вождения АТС.

В этой связи проведем анализ режима вождения способом «разгон-накат». Этот  режим в 50-60-е годы прошлого века рекомендовался даже в руководствах по эксплуатации автомобилей в качестве экономичного и малоизносного. Вместе с тем при движении автомобиля способом «разгон-накат», как доказали последние научные исследования, износы деталей двигателей и других агрегатов выше, чем при движении АТС в  стационарном режиме. Указанный режим вождения является одним из наиболее  неприемлемых с точки зрения изнашивания деталей ЦПГ и КШМ двигателя [14].

Суть режима вождения автомобиля способом «разгон-накат» заключается в максимально возможном для данного участка дороги разгоне автомобиля и включении нейтральной передачи. Бывает даже, при этом, водители выключают двигатель, что совершенно недопустимо на автомобилях, оборудованных пневматической системой тормозов (тормозная система может отказать из-за недостатка давления воздуха). Когда скорость автомобиля падает до 20-30 км/час, двигатель и передачи вновь включаются, опять производится максимально возможный разгон автомобиля, и так далее. Следует отметить в дополнение, что при этом производятся излишние  вмешательства в коробку передач (КП), происходят интенсивные циклические изменения нагрузок в агрегатах трансмиссии (карданный вал, ведущий мост), водитель АТС быстрее утомляется.

По сравнению со стационарными режимами работы двигателя (постоянная ЧВКВ и подача топливовоздушной смеси) суммарное количество оборотов коленчатого вала, количество циклов сгорания в цилиндрах и трения поверхностей деталей на одном и том же участке пути при режиме «разгон-накат» будет меньше, чем на стационарных режимах. Однако специальные исследования показали, что результирующие износы  деталей ЦПГ и всего КШМ двигателя, а также деталей трансмиссии, в режиме «разгон-накат» выше, чем при постоянных режимах работы двигателя. Логически объясняется  это следующим образом. В первые моменты разгона, когда производится нажатие на педаль акселератора, во впускную систему подается большая дополнительная порция топлива. Испаряться же оно будет не полностью, потому что для полного испарения  температура  поверхностей  деталей  впускного  тракта  и камеры сгорания еще недостаточна. Происходит нарушение оптимального баланса для испарения топлива, установившегося до этого, когда температура стенок была именно такой, какая необходима  для полного испарения. Нормальная  испаряемость топлива теперь будет происходить  лишь тогда, когда во впускном тракте и в цилиндре установится необходимый для этого тепловой баланс. Дополнительное неиспарившееся топливо частично выбрасывается в выпускной тракт, что снижает общую экономичность работы двигателей. Не малая часть неиспарившегося топлива стекает по стенкам зеркала цилиндра в поддон картера,  разжижая моторное масло и ухудшая его смазочные свойства. Это топливо к тому же смывает масляную пленку с зеркала цилиндра, что существенно интенсифицирует молекулярно-механическое изнашивание трущейся поверхности зеркала. Отсюда больше износы деталей ЦПГ и КШМ двигателя в целом. Детали КШМ (шейки и вкладыши  коленчатого вала) интенсивнее изнашиваются еще и из-за того, что при увеличении порции сгораемого топлива в цилиндрах в начальные моменты разгона автомобиля между вкладышами и шейками коленчатого вала разрушается масляная пленка (там тоже был определенный гидродинамический баланс) из-за резкого увеличения силового воздействия от поршня через шатун.

Указанные негативные процессы на экономичность и интенсивность процессов изнашивания трущихся поверхностей деталей ДВС проявляются еще в  большей  степени,  когда  при «накате» двигатель автомобиля совсем выключается. Температура поверхностей впускного тракта и камеры сгорания при этом существенно понижается, и при последующем включении двигателя и резком разгоне в первые моменты очень большая часть топлива выбрасывается в выпускной тракт или попадает в поддон картера. Кроме того, при охлаждении поверхностей камеры сгорания ниже «точки росы» на них конденсируются вода и кислоты, которые образуются при сгорании топливовоздушных смесей. Это вызывает коррозию поверхностей камеры сгорания и увеличивает коррозионно-механическое изнашивание деталей ЦПГ двигателя, так как износостойкость любого оксида на порядок ниже износостойкости основного металла [8,13].

Следует добавить к сказанному, что при вождении АТС стилем «разгон-накат» происходят излишние включения-выключения агрегатов трансмиссии и удары в зубчатых зацеплениях. Если учесть еще дополнительные энергетические  затраты  на манипуляции водителя при этом, то режим вождения АТС стилем «разгон-накат» можно считать далеко неоптимальным в сравнении с режимом движения на постоянной скорости.

Разновидностью неустановившихся режимов работы ДВС является режим торможения двигателем или, если шире, режим принудительного холостого хода. По статистике при городском движении этот режим составляет от 5% до 20% от всего времени движения автомобиля [15]. Данный режим имеет место при движении автомобиля под уклон с включенной передачей и кратковременно при переключении передач. При этом  при полностью убранном «газе», подача топлива в цилиндры соответствует режиму обычного холостого хода при минимальных оборотах, а реальная ЧВКВ принудительно увеличена и опосредована скоростью вращения колес автомобиля. В результате топливовоздушная смесь в цилиндрах обедняется, и нормального воспламенения не происходит. Наблюдаются пропуски вспышек, а несгоревшее топливо опять или вылетает в выпускной тракт, или стекает по стенкам зеркала цилиндра в поддон картера. Негативные проявления этого процесса подробно описаны выше.

Для устранения отрицательных последствий режима принудительного холостого хода в конструкциях карбюраторов современных автомобилей применяются специальные технические решения. Инженерная мысль закономерно развивалась в двух направлениях – полная отсечка топлива на этом режиме или, наоборот, добавление такого его количества, которое необходимо для стабильного воспламенения при реализуемых ЧВКВ. По второму принципу действует большинство западных устройств, монтируемых во впускной системе автомобиля. Их называют «экономайзерами принудительного холостого хода» (ЭПХХ). Отечественные устройства тоже называются ЭПХХ, но они производят полную отсечку подачи топлива в цилиндры, перекрывая отверстия системы холостого хода карбюратора. О наличии ЭПХХ на отечественных автомобильных двигателях можно судить по маркировке карбюраторов, в которых после всей информации в конце должна стоять цифра «10».

В достаточно эффективно работающем исполнении отечественные ЭПХХ начали  устанавливаться  на  карбюраторах ДААЗ для автомобилей семейства ВАЗ-2107. Для отсечки топлива у них на режиме принудительного холостого хода служит электропневмоклапан, перекрывающий отверстие системы холостого хода. На более поздних  моделях, начиная с  ВАЗ-2108, устанавливается электромагнитный клапан, который более надежен и неприхотлив в работе [14].

Следует отметить, что при неисправной работе клапана ЭПХХ возникают серьезные эксплуатационные проблемы. Часто начинает отказывать штатная система холостого хода, так как клапан ЭПХХ перекрывает ее отверстие и на холостых оборотах двигатель работает неустойчиво или совсем «глохнет». Это часто происходит при остановках перед светофорами.

Необходимо иметь в виду, что на карбюраторах некоторых автомобилей устанавливается клапан, перекрывающий отверстие системы холостого хода только при выключенном зажигании (ВАЗ-2105). Его назначение – предотвращение  калильного зажигания (воспламенения) топливовоздушной  смеси, то есть воспламенения ее от разогретых поверхностей камеры сгорания. В маркировке таких карбюраторов в конце цифрового ряда стоит цифра «20».

Применение ЭПХХ обеспечивает экономию топлива в городских условиях эксплуатации автомобиля не менее 3%, так что это вполне эффективное устройство [14,15].

На современных двигателях с впрыском топлива негативные последствия режима ПХХ отслеживаются электронным блоком управления (ЭБУ) впрыском.