Скоростные и нагрузочные режимы работы

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