Скоростные и нагрузочные режимы работы автомобильных двигателей

Произведем анализ влияния скоростного и нагрузочного режима работы двигателя на изнашивание его деталей. Эти режимы характеризуются изменением нагрузки (подачи топливовоздушной смеси в цилиндры) и изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя (n, мин^-1).
Величину нагрузки принято характеризовать величиной среднего эффективного давления в цилиндрах (Р_е, кПа).
Скоростной режим работы ДВС характеризуется постоянством нагрузки
(Р_е, кПа) и изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя (n, мин^-1). С увеличением частоты вращения коленчатого вала повышаются износы поверхностей трущихся деталей двигателей. Это связано с возрастанием инерционных сил, механических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы и температур поверхностей трения. При этом зависимости между износами деталей и n имеют степенной характер. Так, например, при повышении частоты вращения коленчатого вала на 10% нагрузки в подшипниках скольжения коленчатого вала повышаются на 20%.

Зависимости между износом (И, мкм) некоторых деталей двигателей и частотой вращения коленчатого вала (n, мин^-1) представлены на рис. 5.2.

Из рис. 5.2 очевидно, что чем выше n, тем больше износы деталей, причем в зоне больших оборотов малое увеличение вызывает весьма существенное увеличение износов большинства деталей двигателей. Так что большие обороты двигателя с точки зрения изнашивания его деталей крайне нежелательны.

Рис.5.3. Влияние частоты вращения коленчатого вала и среднего эффективного давления на интенсивность изнашивания деталей ГАЗ, ЗМЗ при : 1 – цилиндры; 2 – поршневые кольца; 3 – шейки коленчатого вала; 4 – стержни клапанов и направляющие втулки.

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 частоты вращения коленчатого вала двигателя (n, мин^-1) и изменением нагрузки (Р_{е ,} кПа). При увеличении нагрузки (повышении подачи топливовоздушной смеси) интенсивность изнашивания деталей двигателя внутреннего сгорания увеличивается практически прямо пропорционально, то есть проценты возрастания Р_е и вызванные этим износы поверхностей деталей цилиндропоршневой группы и всего кривошипно-шатунного механизма одинаковы. Рост интенсивности изнашивания деталей при увеличении Р_е связан с увеличением количества рабочих газов в цилиндрах (больше сгорает топлива), а значит, возрастают механические нагрузки на детали цилиндропоршневой группы. Одновременно повышаются температуры трущихся поверхностей. Зависимости между износами (И, мкм) некоторых деталей двигателей и нагрузками (Р_{е ,} кПа) представлены на рис.5.3.

Рис.5.3. Влияние частоты вращения коленчатого вала и среднего эффективного давления на интенсивность изнашивания деталей ГАЗ, ЗМЗ при : 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 цилиндропоршневой группы и всего кривошипно-шатунного механизма ДВС, чем повышенный нагрузочный режим. Это значит, что для обеспечения определенной скорости движения автомобиля на одном и том же участке дороги предпочтительнее двигаться на повышенной передаче (не на третьей, а на четвертой или, если есть, на пятой передаче). Следует еще раз оговориться, что если у автомобильного двигателя большой пробег, движение автомобиля при малых оборотах крайне нежелательно с точки зрения возрастания износов деталей.

Для увеличения долговечности двигателя следует путем изменения давления на педаль топливоподающего органа и переключением передач поддерживать частоту вращения коленчатого вала в пределах 2,0-2,5 от минимальных оборотов холостого хода. Например, на «Волге» (ГАЗ-3110) при этом по шоссе удается поддерживать скорость в пределах 70-80 км/ч. Заметим, что это также оптимальный режим по удельному расходу топлива и к тому же «щадящий» режим по износу шин.

Повышенной частоты вращения коленчатого вала двигателя необходимо всячески избегать. Неслучайно на всех автомобильных двигателях конструктивно предусмотрены ограничители частоты вращения коленчатого вала. В результате обеспечивается некоторый “недобор” мощности двигателя, но при этом до 30% увеличивается его ресурс. В этой связи необходимо скрупулезно следить за исправной работой ограничителей.

Ограничители частоты вращения коленчатого вала в дизельных двигателях, как правило, конструктивно располагаются в топливном насосе высокого давления (ТНВД) и работают по центробежному принципу, автоматически прикрывая топливо-регулирующий 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 двигателей завод-изготовитель для этих целей заведомо уменьшает проходное сечение жиклеров. В двигателях с впрыском топлива данная задача решается путем соответствующей регулировки электронной системы управления двигателем.

В любом случае с двигателей снимается не максимально возможная мощность (), а так называемая “номинальная” мощность (), что для примера показано на рис. 5.4 по внешней скоростной характеристике двигателя:

Рис.5.4. Внешняя скоростная характеристика двигателя

В грамотно составленной таблице технических характеристик автомобиля в этой связи всегда должно указываться значение не “максимальной”, а “номинальной” мощности двигателя.

Исправное функционирование ограничителей частоты коленчатого вала очень важно. Стремясь повысить скорость автомобилей, особенно на загородных магистралях, иногда их 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 коробки перемены передач): большая подача – ниже передача коробки перемены передач, и наоборот. С точки зрения долговечности автомобильного двигателя и безотказности его работы предпочтительнее движение на повышенных передачах (при пониженной частоте вращения коленчатого вала 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 переключиться на пониженную передачу.

Наглядным примером эффективности владения на практике вышесказанной информацией могут быть данные статистической информации из научно-технических отчетов кафедры «Автомобильный транспорт» НГТУ. Была произведена оценка влияния квалификации водителей на долговечность и безотказность работы агрегатов (в том числе двигателей) автобусов ЛАЗ-695, эксплуатирующихся на пассажирских линиях в Нижнем Новгороде. Полученные данные приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1