Глава 4. Условия эксплуатации автомобилей

Глава 4. Условия эксплуатации автомобилей

 

Условия эксплуатации автомобилей вместе с режимами работы их агрегатов, качеством эксплуатационных материалов, своевременностью и качеством выполнения ТО и ремонтов определяют интенсивность (являются причинами) изменения технического состояния АТС в эксплуатации. В этой связи отдельный анализ условий эксплуатации для данного научного исследования актуален.

Условия эксплуатации автомобилей подразделяются на дорожные, транспортные (условия перевозок) и природно-климатические [13,14,15].

 

Дорожные условия эксплуатации

Дорожные условия определяют режимы работы агрегатов автомобилей. Они характеризуются технической категорией дороги, видом и качеством дорожного покрытия и рельефом местности (расположением дороги по высоте над уровнем моря).

Категории автомобильных дорог отличаются значениями показателей, представленных в табл. 4.1.

Автомобильные дороги в зависимости от значений, указанных в табл. 4.1 показателей, их народнохозяйственного и административного значения подразделяются на пять основных категорий. Категория  I  в свою очередь имеет две подкатегории: I- а и I- б. При этом к категории I- а относятся наиболее совершенные магистральные автомобильные дороги общегосударственного значения, в том числе предназначенные для международного сообщения. К остальным категориям относятся прочие дороги общегосударственного, республиканского, краевого и областного, а также местного значения.

На все вновь строящиеся автомобильные дороги на территории России установлены специальные строительные нормы и правила (СНиП 2.05.02-85), введенные в действие с 1 января 1987 года.

Проезжая часть дороги, для движения автомобилей, имеет дорожную одежду, состоящую, как правило, из нескольких слоев покрытия (верхний – наиболее прочный слой). На основе положений СНиП 2.05.02-85 дорожная одежда должна отвечать определенным требованиям, предъявленным к автомобильной дороге как транспортному сооружению.

По виду и качеству верхних покрытий автомобильные дороги делятся на пять групп и обозначаются русской буквой «Д» с цифровым символом, соответствующим группе вида и качества покрытий:

Д₁ – капитальные цементобетонные монолитные, железобетонные или армобетонные сборные, асфальтобетонные, мостовые из брусчатки и мозаики на бетонном основании;

Д₂ – из битумоминеральных смесей (асфальт), в том числе со щебнем и гравием, из холодного асфальтобетона;

Д₃ – из щебеня, гравия и песка, обработанных вяжущими добавками, из дегтебетона;

Д₄ – из булыжника, колотого камня, малопрочных каменных материалов, в том числе обработанных вяжущими добавками;

Д₅ – естественные грунтовые дороги, деревянные настилы.

Таблица  4.1

Таблица  4.2

Рис. 4.1. Схема сил, действующих на автомобиль при движении на подъем

Сила сопротивления дороги. При движении АТС по реальной дороге наблюдается одновременное действие силы сопротивления качению автомобиля и силы сопротивления движению на подъем. Поэтому сила сопротивления дороги F _y представляет собой сумму (разность) векторов этих сил («+» - при движении на подъем; «-» - спуск):

 

                              F _y = F_f ± F _a,                                                       (4.5)

 

С использованием выражений (4.3), (4.5) и (4.8), получаем обобщенное выражение для вычисления силы сопротивления дороги

 

         F _y = f _ср G_a cosa ± G_a sina = (f cosa ± sina) G_a = y G_a,   (4.6)

 

где y = (f cosa ± sina) – коэффициент сопротивления дороги.

     В частных случаях, например, на ровной горизонтальной дороге  a = 0 и y = f; при движении на подъем y = f cosa + sina (y > f); при движении на спуске y = f cosa- sina(y < f). Для движения на спуске есть еще следующие комбинации: если f cosa > sina, то y > 0; если f cosa = sina, то y = 0;  если f cosa < sina, то y < 0.

Таким образом, коэффициент  сопротивления качению автомобиля   f  является стабильной величиной для конкретной дороги, т.е. он очень незначительно зависит от типов и особенностей автомобилей при условии обеспечения номинального давления воздуха в шинах (табл. 4.4), рекомендуемого заводом-изготовителем АТС. [14,15].

Из анализа табл. 4.4 следует, что величина коэффициента f  (а значит сила сопротивления качению P_f) существенно зависит от дорожных условий и давления воздуха в шинах, и в итоге влияет на проходимость АТС. Это учитывается в мировой практике автостроения путем производства автомобилей с автоматическим изменением давления воздуха в шинах (ГАЗ-3308 «Садко», автомобили семейства УРАЛ и т.д.).

В настоящее время отсутствуют теоретические методы расчета коэффициента сопротивления качению для различных дорог без экспериментальных исследований, хотя предпринимаются попытки его определения на основе характеристик вертикальной деформируемости грунта под действием нагрузок.

  Таблица  4.4

Значение коэффициента сопротивления качению f колесного

Дорожные условия

Давление воздуха в шинах

    Номинальное

Сниженное

1 2 3     4 5 Дорога I категории Дорога II и III категорий Грунтовая дорога  – сухая  – в распутицу Снежная целина Заболоченная местность 0,012…0,020 0,015…0,025   0,025…0,035 0,150…0,250 0,250…0,350 0,500…0,650

0,030…0,040

0,035…0,045

 

0,040…0,060

0,080…0,150

0,180…0,250

0,350…0,450

         

 

В  инженерной практике величину коэффициента f определяют методами [15]:

·   Метод буксировки. При этом экспериментальный автомобиль буксируется через буксировочное устройство, оборудованное динамометрическим устройством. При равномерном прямолинейном движении сила тяги по показаниям динамометра равна силе сопротивления качению P_f   (рис. 4.2). Для повышения точности   эксперимента  с  автомобиля  снимают  карданный  вал.  От потерь в колесных узлах  избавиться  все  же  невозможно. Несмотря на это, данный метод определения величины коэффициента f является самым практичным и точным.

1

2

3

4

 

 

Рис. 4.2. Определение коэффициента методом буксировки:

1 – буксирующий автомобиль; 2 – тяговое устройство с динамометром;

3 – буксируемый автомобиль; 4 – дорожное полотно

 

·   Метод свободного выбега. При эксперименте автомобиль разгоняется до определенной скорости и в КП включается нейтральная передача. По начальной скорости (обычно 100 км/час) и времени до полной остановки автомобиля на основании второго закона Ньютона определяется усредненная сила сопротивления качению P_f  и далее величина коэффициента f с известным весом автомобиля. Данный метод уже в общих чертах описан в п. 2.1. Ошибка эксперимента при этом больше, чем в предыдущем методе, так как искусственно избавиться от потерь в трансмиссии невозможно.

·   Метод моделирования качения на беговых барабанах. Используется только в частных научных целях.  Для инженерной задачи определения коэффициента сопротивления качению конкретной дороги и покрытия он непригоден. Для этого поверхности катков беговых барабанов должны в точности повторять характеристики поверхности конкретного дорожного покрытия, что обеспечить весьма проблематично [13].

Таблица 4.5

                                   Категории условий эксплуатации

                                      

Условия движения	Рельеф местности	Группы дорог
		Д1	Д2	Д3	Д4	Д5
За пределами пригородной зоны	Р1 Р2 Р3 Р4 Р5	I
				II
						IV
В малых городах менее 100 тысяч человек и в пригородной зоне	Р1 Р2 Р3 Р4 Р5
		II
				III
						V
В больших городах более 100 тысяч человек	Р1 Р2 Р3 Р4 Р5
					IV

 

 

ЗАПЫЛЕННОСТЬ ВОЗДУХА

 

При движении автомобиля по дорогам различного качества в трущиеся узлы  его  КЭ  попадает кварцевая пыль, являющаяся основным источником абразивного изнашивания. Особый вред оказывают мелкодисперсные частицы пыли, так как они практически не задерживаются фильтрующими элементами. По высоте от уровня земли количество пыли уменьшается, поэтому в практике автостроения и действует тенденция расположения воздухозаборников, как можно выше. Особенно часто это применяется при конструировании и производстве автомобилей с дизельными двигателями.

В среднем при движении автомобилей по асфальтовому шоссе содержание пыли в воздухе составляет в летних условиях примерно 15 мг/м³,а по сельским российским грунтовым дорогам – доходит до 6000 мг/м³. Следует иметь в виду, что видимость практически полностью теряется при содержании пыли в воздухе около 1500 мг/м³ [4].

В зависимости от запыленности района эксплуатации и климатических условий определенное количество пыли попадает в топливные баки автомобилей, достигающее 200-300 г  на одну тонну топлива [4,13,14]. В особенности это характерно для автомобилей-самосвалов и при работе грузовых автомобилей в карьерах и на грунтовых дорогах в сельской местности.

 

ИНТЕНСИВНОСТЬ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

 

     При выпадении снега и дождя условия движения автомобилей становятся более тяжелыми. Это заставляет водителя двигаться на пониженных передачах и малых скоростях, чаще задействовать тормозную систему автомобиля и режимы торможения двигателем. Двигатель большую часть времени будет работать на нестационарных режимах. Это всё приводит к интенсификации процессов изменения технического состояния агрегатов, систем, механизмов, узлов и деталей АТС, в первую очередь – изнашивание трущихся поверхностей, коррозия металлов и электрохимическая коррозия, деструкция эксплуатационных материалов.

       Следует отметить, что в дождливую погоду при явном увеличении влажности воздуха у автомобильных двигателей повышается эффективность рабочих процессов в цилиндрах, что объяснено выше при анализе влажности воздуха, как природно-климатического фактора.

       Интенсивность выпадения осадков на территории умеренного климатического района, как правило, не превышает 3-3,5 мм/мин (кратковременно) и 1,5-1,6 мм/мин при длительном периоде (более 30 мин) [15].

       В  процессе  разработки  автомобилей  на  заводах-изготовителях при испытании кабины или салона на герметичность в испытательной камере обеспечивается  выпадение осадков  5 мм/мин,  при  этом  попадания  воды  в кабину (салон) недопустимы [13].

 

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ

     При воздействии солнечных лучей на поверхность АТС выгорает лакокрасочное покрытие, размягчаются шины автомобиля. Последнее приводит к ухудшению управляемости автомобиля и ускоряет процессы старения материала шин. Размягчаются также все открытые резиновые уплотнения, чем также нарушается их нормальное функционирование [13,14,15].

ВЕТРОВАЯ НАГРУЗКА

     Ветер влияет на скорость охлаждения двигателя. Например, при увеличении  скорости  ветра  от  0 до 10 м/с  темп (скорость)  охлаждения  деталей автомобильного двигателя увеличивается в 3 раза. По средним значениям температур и ветров для умеренного климатического района двигатель автомобиля зимой остывает до температуры окружающего воздуха за  25-30 мин, летом – за 3 часа [4,13].

       Эксплуатация автомобиля на длительных маршрутах с преобладающими ветрами также влияет на выходные показатели и техническое состояние автомобилей. Например, при встречном ветре увеличиваются расходы топлива, при попутном – экономичность возрастает. При постоянных боковых ветрах для соблюдения прямолинейного движения автомобиля водитель вынужден воздействовать на рулевое колесо в одну сторону, что приводит к изнашиванию деталей рулевого управления автомобиля и шин, а также к утомляемости водителей [14,15]. В этой ситуации негативное влияние ветра несколько сгладить можно путем регулировок углов установки управляемых колес, которые будут отличаться от номинальных значений.

 

СЕЗОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

     Сезонные колебания условий эксплуатации автомобилей обусловлены изменением  температуры  окружающего  воздуха и дорожных условий по временам года. При этом периодически проявляется также ряд дополнительных факторов, влияющих на интенсивность изменения параметров технического состояния автомобиля, например пыль – летом, снег – зимой; влага и грязь – осенью и весной.

       В зависимости от сезона достаточно существенно изменяются показатели надежности автомобилей. Для количественного подтверждения эти изменения удалось установить экспериментально-расчетным путем в результате комплекса исследований надежности городских автобусов в Нижнем Новгороде, что по ряду показателей (на примере автобусов ЛиАЗ-5256) представлено в табл. 4.7 [13].

 

 

Таблица  4.7

Агрегатов автомобилей

Режимы работы агрегатов автомобилей вместе с условия эксплуатации, качеством эксплуатационных материалов, своевременностью и качеством выполнения ТО и ремонтов опосредуют интенсивность (являются причинами) изменения технического состояния АТС в эксплуатации. В этой связи отдельный анализ эксплуатационных режимов работы агрегатов автомобилей для данного научного исследования актуален.

Наиболее  чувствительным  агрегатом  к  изменению  условий движения автомобиля является двигатель, что приводит к изменению его режимов работы. Вместе с тем, режимы работы двигателя во многом определяют режимы работы прочих агрегатов и конструкционных элементов (КЭ) автомобиля [4,15].

 

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.

Автомобильных двигателей

 

Скоростной режим работы ДВС характеризуется постоянством нагрузки (p _е, кПа) и изменением ЧВКВ (n, мин^-1). С увеличением ЧВКВ повышаются износы поверхностей трущихся деталей двигателей. Это связано с возрастанием инерционных сил, механических нагрузок на детали КШМ, ЦПГ и температур  поверхностей трения. При этом  зависимости между износами деталей и n имеют степенной характер. Так,  при повышении ЧВКВ на 10%  нагрузки в подшипниках скольжения КВ  повышаются на 20% [4].

Зависимости между износом (И, мкм) некоторых деталей двигателей и частотой вращения коленчатого вала (n, мин^-1) представлены на рис. 5.1., причем, чем выше n, тем интенсивнее изнашивание деталей, причем в зоне больших оборотов малое увеличение (Δ n) вызывает весьма существенное увеличение износов (ΔИ) большинства деталей двигателей [13,14]. Так что большие обороты коленчатого вала двигателя с точки зрения изнашивания деталей крайне нежелательны. Некоторое увеличение износов деталей при малых n связано со снижением давления в системе смазки двигателей, а значит с ухудшением гидродинамического режима работы деталей. Это в большей степени проявляется на двигателях, имеющих большую наработку, т.е. режим малых оборотов на таких двигателях нежелателен.

Нагрузочный режим работы двигателей характеризуется, наоборот, постоянством ЧВКВ двигателя (n, мин^-1) и изменением нагрузки (р _{е ,} кПа). При увеличении нагрузки (возрастании р _е, повышении подачи топливовоздушной смеси) интенсивность изнашивания деталей ДВС увеличивается практически прямо пропорционально [4,15].

Рост интенсивности изнашивания деталей при увеличении р _е связан с увеличением количества рабочих газов в цилиндрах (больше сгорает топлива), возрастанием механических нагрузок на детали ЦПГ. Одновременно повышаются температуры трущихся поверхностей. Зависимости между износами (И, мкм) некоторых деталей двигателей и нагрузками (р _{е ,} кПа) представлены на рис. 5.2.

 

, мин-1

И, мкм

1

2

3

4

 

Рис. 5.1. Влияние ЧВКВ n  на интенсивность изнашивания  И  деталей

 двигателей  ЗМЗ  при p_e = const: 1 – цилиндры; 2 – поршневые кольца; 3 – шейки коленчатого вала;

4 – стержни клапанов и направляющие втулки

pe , кПа

, мкм

1

2

3

4

 

 

Рис. 5.2. Влияние нагрузки (среднего эффективного давления p_e) на интенсивность

изнашивания И деталей двигателей ЗМЗ при n = const:

1 – цилиндры; 2 – поршневые кольца; 3 – шейки коленчатого вала;

4 – стержни клапанов и направляющие втулки.

 

Таким образом, повышенный скоростной режим вызывает большее увеличение  износов деталей ЦПГ и всего КШМ ДВС, чем повышенный нагрузочный режим. Это значит, что для обеспечения определенной скорости движения АТС на одном и том же участке дороги предпочтительнее двигаться на повышенной передаче (не на третьей, а на четвертой или, если есть возможность – на пятой передаче). Следует иметь в виду, что все это эффективно производить на АТС, у которых двигатели не достигли (не превысили) предельного состояния и смазка трущихся узлов удовлетворительна. Если у автомобильного двигателя большой пробег, движение АТС при малых ЧВКВ двигателя крайне нежелательно с точки зрения возрастания износов деталей из-за низкого давления моторного масла в смазочной системе [13].

В оптимальном случае для увеличения долговечности двигателя при движении АТС следует путем изменения нажатия на педаль топливоподающего органа (акселератора) и переключением передач поддерживать ЧВКВ в пределах 200-250% от минимальных оборотов холостого хода. Например, на автомобиле ГАЗ-3110 «Волга» при этом (n ≈ 2000 мин^-1) по шоссе удается поддерживать скорость в пределах 80-90 км/ч. Заметим, что это также оптимальный режим по удельному расходу топлива и к тому же «щадящий» режим по износу шин.

Повышенной ЧВКВ двигателя необходимо всячески избегать. Неслучайно на всех автомобильных двигателях конструкционно предусмотрены ограничители вращения коленчатого вала. В результате обеспечивается некоторый «недобор» мощности двигателя, но при этом до 30% увеличивается его ресурс [14,15].

Ограничители  ЧВКВ  в  дизельных  двигателях,  как правило,  конструкционно  располагаются в  топливном  насосе  высокого  давления  (ТНВД)  и работают  по  центробежному  принципу, автоматически прикрывая топливорегулирующий орган (рейку) при  «перекрутке» двигателя. В карбюраторных двигателях грузовых автомобилей подобные ограничители, работая по пневматическому, инерционному, пневмо-инерционному принципу, обеспечивают прикрытие дроссельной заслонки при достижении критических с точки зрения долговечности двигателя значений   n.  В ряде карбюраторных автомобильных двигателей завод-изготовитель для этих целей заведомо уменьшает проходное сечение жиклеров. В двигателях с впрыском топлива данная задача решается путем соответствующей регулировки ЭБУ.

, мин-1

, кВт

В  любом  случае с  автомобильных двигателей (за исключением специальных и спортивных) снимается не максимально возможная мощность (), а так называемая  «номинальная» мощность (), что для примера  показано  на рис. 5.3 по внешней скоростной характеристике двигателя:

 

                              

Рис. 5.3. Внешняя скоростная характеристика двигателя

 

Исправное функционирование ограничителей ЧВКВ автомобильных двигателей  очень важно. Стремясь повысить скорость автомобилей, особенно на загородных магистралях, иногда указанные ограничители  различными  способами отключают. Максимальная скорость автомобиля возрастает, но при этом двигатель работает в условиях чрезмерного скоростного режима, приводящего к повышенным износам деталей.

Таким образом, необходимая скорость автомобиля на конкретном участке дороги обеспечивается соотношением положения топливоподающего органа (подачи топлива)  и  передаточным  отношением  в  трансмиссии  (передачей КП):  большая  подача  –  ниже  передача  КП, и наоборот. С точки зрения долговечности автомобильного двигателя и безотказности его работы предпочтительнее движение автомобиля на повышенных передачах (при пониженной ЧВКВ двигателя).

Единственным недостатком такого стиля езды является невозможность быстрого набора скорости, например при обгоне, особенно в гору. Для увеличения  динамики  автомобиля  в  этом случае необходимо водителю иметь  навыки по быстрому переключению на пониженную передачу.

Наглядным  примером  эффективности  владения на  практике  вышеуказанными теоретическими положениями могут быть данные статистической информации из научно-технических исследований кафедры «Автомобильный транспорт» НГТУ. Была произведена оценка влияния квалификации водителей на долговечность  и  безотказность  работы  агрегатов (в том числе двигателей) автобусов ЛиАЗ-5256, эксплуатирующихся на пассажирских линиях в Нижнем Новгороде [13]. Полученные данные приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Рис. 5.4. Зависимость относительной скорости изнашивания цилиндров

карбюраторного (1) и дизельного (2) двигателей

Рис. 5.6. Зависимости отложений лака на поверхностях поршней

Рис. 5.7. Характерные точки цилиндра и поршня ДВС при анализе

их теплонапряжённости для дизельных (а) и бензиновых (б) двигателей

 

1. Максимальное значение температур в точке 1 (в дизельных двигателях – на кромке камеры сгорания, в бензиновых – в центре донышка поршня) не должно превышать 350⁰С для всех серийно применяемых в двигателестроении  алюминиевых сплавов, иначе происходит оплавление кромок камер  сгорания  в  дизельных двигателях или прогар поршня в бензиновых. В практике автомобилестроения это критическое значение температуры удается повышать путем добавки в сплав кремния. Недопущения превышения критических значений температур в этой точке, равно как и во всех объемах деталей ДВС, обеспечивается также путем оптимизации их форм и грамотной организацией охлаждения. Превышение температур деталей двигателей (в первую очередь, на огневой поверхности поршней) обычно является основным сдерживающим фактором для форсирования их по мощности. По температурным уровням к тому же следует иметь определенный запас с учетом экстремальных условий эксплуатации.

2. Критическое значение температур в точке 2 поршня (над верхним компрессионным кольцом) – 250-260⁰С (кратковременно до 290⁰С). При превышении этой величины все массовые моторные масла коксуются, что приводит к  «залеганию» поршневых колец, потери их подвижности, в результате – к существенному уменьшению компрессии, расходу масла со всеми вытекающими отсюда последствиями. Масляный кокс представляет собой некий симбиоз лака и нагара. В этой связи, если при  диагностировании существенно снизилась компрессия в цилиндре двигателя, необходимо проверить или герметичность клапанов ГРМ, или место прогара прокладки между головкой и блоком цилиндров, или ЦПГ на предмет износа деталей или «залегания» колец. Последнее будет очевидным, если при заливке в цилиндры через отверстия для свечей или форсунок порции моторного масла (50-70 г) компрессия увеличивается (масло загерметизирует  зазоры).  Если  все  перечисленное  исправно, то причиной падения компрессии является залегание поршневых колец. В настоящее время для «раскоксовывания» поршневых колец успешн