Нестационарные режимы работы автомобильных двигателей

При движении автомобиля (особенно по городу) режимы работы двигателя постоянно изменяются. Имеют место так называемые нестационарные (неустановившиеся) режимы работы, характеризующиеся постоянным изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя (n, мин^-1) и нагрузки подачи топливовоздушной смеси в цилиндры. Нагрузку на двигатель наиболее правильно оценивать средним эффективным давлением (Р_е, кПа) - это среднее давление газов в цилиндре, которое действует на поршень в течение одного рабочего хода, совершает работу, равную эффективной работе на коленчатом валу двигателя.

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.

По статистике, в зависимости от условий эксплуатации на каждые 1000 км пробега приходится 50 пусков и остановок двигателя. При движении автомобилей по дорогам различного качества их двигатели наибольшее время работают при открытом на 5-70% топливоподающем органе (например, дроссельной заслонке карбюратора) и развиваемой мощности - от 13 до 78% от номинальной.

При нестационарных режимах работы двигателя, в сравнении с установившимися, интенсивность изнашивания поршневых колец увеличивается до 3,5 раз, поршней-до 2,5. В среднем износ двигателя возрастает в 3-4 раза. Расход топлива увеличивается не менее, чем на 15%. Отсюда, например, ясно, почему при движении по загородной дороге экономичность автомобиля на 1-1,5 литра выше, чем при городской эксплуатации.

Данная информация имеет большое значение для разработки рациональных режимов вождения автомобилей.

В этой связи проведем анализ режима вождения способом “разгон-накат”. Этот режим в 50-60-е годы рекомендовался даже в руководствах по эксплуатации автомобилей в качестве экономичного и малоизносного. Да и в настоящее время некоторые водители, особенно пожилого возраста, культивируют данный стиль вождения автомобиля.

Вместе с тем при движении автомобиля способом “разгон-накат”, как доказали последние научные исследования, износы деталей двигателей и других агрегатов выше, чем при движении автомобиля в стационарном режиме. Указанный режим вождения является одним из наиболее неприемлемых с точки зрения изнашивания деталей цилиндропоршневой группы и всего кривошипно-шатунного механизма автомобильного двигателя.

Суть режима вождения автомобиля “разгон-накат” заключается в максимально возможном для данного участка дороги разгоне автомобиля и выключении передачи. Бывает даже при этом водители выключают двигатель. Это совершенно недопустимо на автомобилях, оборудованных пневматической системой тормозов. Тормозная система может отказать из-за недостатка давления воздуха. Когда скорость автомобиля падает до 20-30 километров в час, двигатель и передачи вновь включаются, опять производится максимально возможный разгон автомобиля, и так далее... Не говоря пока об условиях работы двигателя, заметим, сколько при этом производится лишних вмешательств в коробку перемены передач, сколько циклических изменений нагрузок происходит в агрегатах трансмиссии (карданный вал, ведущий мост), сколько дополнительной энергии затрачивает шофер на вождение автомобиля?

Казалось бы, по сравнению со стационарными режимами работы двигателя (постоянная частота вращения коленчатого вала и подача топливовоздушной смеси) суммарное количество оборотов коленчатого вала на одном и том же участке пути при режиме “разгон-накат” меньше, значит меньше трения поверхностей деталей и количество циклов сгорания. Все же специальные исследования показали, что изнашиваемость деталей цилиндропоршневой группы и всего кривошипно-шатунного механизма двигателя, а также деталей трансмиссии, в режиме «разгон-накат» выше, чем при постоянных режимах работы двигателя! Объясняется это следующим: в первые моменты разгона, когда мы нажимаем на педаль акселератора, во впускную систему подается большая дополнительная порция топлива. Испаряться же оно будет неполностью, 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. Дополнительному (неиспарившемуся) топливу ничего не остается делать, как буквально вылетать в трубу (в выпускную). Но хуже другое: оставшееся топливо по стенкам зеркала цилиндра стекает в поддон картера, разжижая моторное масло и ухудшая его смазочные свойства, а также смывает масляную пленку с зеркала цилиндра, что существенно интенсифицирует его молекулярно-механическое изнашивание. Отсюда больше износы деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма двигателя в целом. Детали последнего (шейки и вкладыши коленчатого вала) больше изнашиваются еще и из-за того, что при увеличении порции сгораемого топлива в цилиндрах в первые моменты между вкладышами и шейками коленчатого вала разрушается масляная пленка, ведь там тоже был определенный гидродинамический баланс. Да и поступающее к узлам трения масло теперь худшего качества.

Эти негативные процессы проявляются в большей степени, когда при «накате» двигатель совсем выключается («глушится»). Температура поверхностей впускного тракта и камеры сгорания существенно понижается, и при последующем включении двигателя и резком разгоне в первые моменты очень большая часть топлива выбрасывается наружу или попадает в поддон картера. Кроме того, при охлаждении поверхностей камеры сгорания на них конденсируются вода и кислоты, которые образуются при сгорании топливовоздушных смесей. Это вызывает коррозию поверхностей камеры сгорания и увеличивает коррозионно-механическое изнашивание деталей цилиндропоршневой группы двигателя, так как износостойкость любого оксида на порядок-два ниже износостойкости основного металла. Этим и объясняется преждевременный износ деталей двигателя и повышенный расход топлива.

Следует добавить к сказанному, что при вождении автомобиля стилем “разгон-накат” происходят излишние включения-выключения агрегатов трансмиссии и удары в зубчатых зацеплениях. Если учесть еще дополнительные энергетические затраты на всякие манипуляции водителя при этом, то режим вождения автомобиля 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. 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 частота вращения коленчатого вала принудительно увеличена и опосредованна 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 выпускную трубу, или стекает по стенкам зеркала цилиндра в поддон картера. К чему это приводит, подробно описано выше.

Как бороться с этими процессами? 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 получаемых оборотах коленчатого вала. 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”.

Экономайзеры принудительного холостого хода в должном исполнении 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 ВАЗ-2108, других устанавливается электромагнитный клапан, который более надежен и неприхотлив в работе (рис.5.1).

Рис.5.1. Карбюратор ВАЗ – 2108

(А – клемма электромагнитного клапана ЭПХХ)

Неисправность клапана ЭПХХ весьма неприятна. Мало того, что прекращают устраняться неблагоприятные последствия режимом принудительного холостого хода, начинает отказывать и 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.

На карбюраторах некоторых автомобилей устанавливается клапан, перекрывающий отверстие системы холостого хода только при включенном зажигании, например у автомобиля ВАЗ-2105. Его назначение – предотвращение калильного зажигания топливовоздушной смеси, то есть воспламенение ее от разогретых поверхностей камеры сгорания. В маркировке таких карбюраторов в конце цифрового ряда стоит число “20”. На эти автомобили последних лет выпуска может быть установлен ЭПХХ по схеме карбюратора для двигателя ВАЗ-2107.

Несколько слов о диагностировании исправной работы ЭПХХ. Включите зажигание, снимите с клеммы клапана «А» (рис.5.1) наконечник провода. Должен явно прослушиваться щелчок. Если щелчка не последовало, следует проверить наличие напряжения на проводе контрольной лампой или тестером. При отсутствии напряжения на проводе замените клапан. Вероятнее всего произошел обрыв электрической обмотки клапана. Если же отсутствует напряжение, проверьте надежность соединения проводов. При наличии блока управления клапаном, неисправность может быть в нем. В этом случае без замены блока не обойтись.

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

Таким образом:

1. Любые нестационарные режимы работы автомобильных двигателей весьма не желательны с точки зрения изнашивания его деталей и расхода топлива.
2. Стиль вождения автомобиля “разгон-накат” вместо ожидаемого увеличения долговечности деталей и двигателя в целом приводит к прямо противоположным результатам. При этом еще увеличиваются нагрузки на детали агрегатов трансмиссии (значит, их изнашивание). От водителя требуются немалые лишние энергетические затраты на вождение автомобиля.
3. Режим торможения двигателем (или принудительного холостого хода) крайне нежелателен с точки зрения износов деталей и расходов топлива для двигателей, не оборудованных экономайзерами принудительного холостого хода. Однако движение на спуске с отключенной от двигателя трансмиссией (на нейтральной передаче) не рекомендуется с точки зрения безопасности дорожного движения, особенно в зимнее время.
4. Долговечность, безотказная работа агрегатов автомобиля и, в первую очередь двигателя, существенно увеличиваются при постоянных установившихся режимах работы двигателя, что необходимо учитывать при выработке стиля вождения автомобиля.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ АВТОМОБИЛЕЙ

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 конструктивных элементов автомобиля.