Холостий хід - спеціальний режим роботи двигуна внутрішнього згоряння на нерухомому автомобілі. Слід після режиму «пуск» і режиму «прогрів».
Під час холостого ходу лямбда-зонд (на інжекторних автомобілях) вже розігрітий до робочої температури (вище 300 ° C) і бортовий комп'ютер починає використовувати показання датчика для регулювання складу горючої суміші. Цільова функція - мінімум токсичності вихлопних газів.
Деякі сучасні двигуни не мають холостого ходу, що іноді створює курйозні проблеми з техоглядом.
Нерівномірності роботи двигуна на холостому ходу
Холостий хід, незважаючи на уявну простоту його реалізації в бензинових двигунах, є вельми "незручним" режимом. На цьому режимі корисної енергії виділяється рівно стільки, щоб забезпечити обертання коленвала з мінімальної стійкої швидкістю, привід механізму газорозподілу із здійсненням процесів газообміну і привід допоміжних агрегатів. Індикаторний ККД на режимі холостого ходу мінімальний. Робочий процес в двигуні, що працює на холостому ходу, відбувається при дуже несприятливому поєднанні умов:
- низька швидкість паливно-повітряної суміші в тактах впуску і стиснення не сприяє хорошому сумішоутворенню;
- тривалий час робочого циклу сприяє інтенсивному теплообміну робочого тіла з деталями двигуна;
- низький тиск у впускному колекторі є причиною низької концентрації реагуючих речовин (вуглеводнів і кисню), і, як наслідок, процес згоряння відбувається повільно і нестабільно;
- перепад тисків між впускним і випускним колекторами, в поєднанні з великою тривалістю всіх процесів, призводить до зворотного закидання відпрацьованих газів в камеру згоряння, і далі у впускний колектор, в момент перекриття фаз газорозподілу (перекриття клапанів), що ще більше знижує концентрації реагуючих речовин в камері згоряння.
На пункти 1 і 2 впливають виключно конструктивні особливості двигуна. Поговоримо тепер про пункти 3 і 4 і їх взаємний вплив. Для початку згадаємо, що поршневий бензиновий двигун внутрішнього згоряння є двигуном з кількісним регулюванням робочого процесу, тобто, крутний момент, що знімається з клонували двигуна, залежить від кількості що надійшла в циліндр свіжої суміші. Обмеження подачі повітря (паливо-повітряної суміші) називається дроселюванням. Двигун "душать", не дають йому "дихати".
Положенням дросельної заслінки визначається, скільки повітря потрапить у впускний колектор при цьому перепаді тисків між атмосферним тиском і тиском у впускному колекторі.
Як оцінити ефективність роботи двигуна? Очевидним критерієм буде витрата палива, віднесений до виробленої роботі.
При роботі двигуна на холостому ходу ефективна робота дорівнює нулю, отже, витрата палива (при інших рівних умовах) однозначно характеризує ефективність роботи двигуна на холостому ходу. Але витрата палива і витрата повітря є взаємопов'язаними величинами. На холостому ходу дросельна заслінка повністю закрита, повітря надходить у впускний колектор через РДВ (регулятор додаткового повітря), і він дає двигуну стільки повітря, скільки йому потрібно для роботи на холостому ходу.
Розглянемо такий цікавий параметр роботи двигуна, як тиск у впускному колекторі. При розгляді цього параметра можна згадати задачу про басейн, в який по одній трубі вода вливається (дросельна заслінка), а по інший - виливається (впускні клапана), а рівень води (тиск у впускному колекторі) є результуючої роботи цих двох труб. Тільки у випадку з автомобільним двигуном все складніше: витрата повітря через РДВ залежить від його положення і перепаду тисків між впускним колектором і атмосферою, а витрата повітря через впускні клапана залежить від тиску у впускному колекторі і від фаз газорозподілу. Від тиску у впускному колекторі безпосередньо залежить, яка кількість свіжої робочої суміші потрапить в циліндр. І якщо, два однакових двигуна працюють на холостому ходу з однаковою додатковим навантаженням, обумовленої приводом агрегатів, то індикаторний ККД вище у того двигуна, у якого нижче тиск у впускному колекторі (чим нижче тиск (більше розрідження), тим менше свіжої суміші потрапляє в циліндри , а якщо робота цими двигунами відбувається однакова, то ККД вище у того, який менше споживає палива). Для зручності розгляду ми приймаємо, що обидва розглянутих двигуна працюють по лямбда-регулювання і з однаковим УОЗ. Величина тиску у впускному колекторі має суттєвий вплив на процес зворотного закиду газів: чим нижче тиск у впускному колекторі, тим більшим буде перепад тисків між впускним і випускним колекторами, тобто перепад, під дією якого відбувається зворотна занедбаність. Якщо ми починаємо збільшувати кут перекриття клапанів (час-перетин, коли відкриті обидва клапани), то тим самим ми різко збільшуємо зворотна занедбаність. Відпрацьовані гази з випускного колектора потрапляють через відкриті клапана і камеру згоряння у впускний колектор. Під час впуску в циліндр спочатку надходять занедбані з випускного колектора відпрацьовані гази, а потім тільки свіжа суміш. При постійному тиску у впускному колекторі це призведе до заміщення частини свіжого заряду відпрацьованими газами (зниження циклового наповнення свіжою сумішшю) і зниження концентрації реагуючих речовин. Обидва цих моменту ведуть до зниження ефективності робочого циклу. Компенсаційний мірою для підтримки частоти обертання двигуна є збільшення витрати повітря (і палива) на даній частоті обертання. Збільшення витрати повітря здійснюється за рахунок збільшення прохідного перетину РДВ. Це призводить до зростання тиску у впускному колекторі (зниження перепаду тиску між впускним і випускним колекторами) і, як наслідок, скорочення зворотного закидання відпрацьованих газів.
Відповідно, кожному взаиморасположению фаз газорозподілу відповідає свій витрата повітря і палива і свій тиск у впускному колекторі, що забезпечують роботу двигуна на заданих оборотах холостого ходу.
Отже, ми приходимо до висновку, що при проведенні ремонтних і регулювальних робіт реально можна вплинути тільки на взаємне розташування і ширину перекриття фаз газорозподілу. У кожної компонувальною схеми ГРМ свої особливості. На двигунах з гідрокомпенсаторами зазорів в приводі клапанів і індивідуальними валами на впускні і випускні клапана фази газорозподілу мають досить широкий діапазон можливої установки.
На одновальних (з одним розподільним валом) двигунах з регульованим тепловим зазором в приводі клапанів, ширина перекриття фаз газорозподілу залежить від профілю кулачків і величини теплових зазорів (чим більше зазор, тим менше перекриття фаз).
На одновальних двигунах з гідрокомпенсаторами зазорів в приводі клапанів вплив на ширину і взаємне положення фаз газорозподілу надає тільки профіль кулачків.
При ремонтному впливі можливе тільки спільне зміщення фаз газорозподілу щодо положення поршня в циліндрі (поворот распредвала щодо коленвала). Потрібно відзначити, що ширина фаз газорозподілу і їх взаємне розташування на автомобільних моторах загального призначення вибирається як компроміс між режимами максимальної потужності, максимального крутного моменту, мінімальних оборотів під навантаженням і холостого ходу.
Для забезпечення комфортної експлуатації автомобіля, автомобільний двигун повинен мати "хороші низи", плавну криву крутного моменту в широкому діапазоні частоти обертання і рівну роботу на холостому ходу. На механізм газорозподілу покладено завдання забезпечити максимальну очищення циліндра від відпрацьованих газів і максимальне наповнення його свіжим зарядом у всьому діапазоні роботи двигуна.
З точки зору холостого ходу режим максимальної потужності є діаметрально протилежним. І, якщо для роботи на холостому ходу оптимальні вузькі фази газорозподілу (пізніше відкриття - раннє закриття) без перекриття фаз, то для максимальної потужності потрібні широкі фази, чим вище максимальна частота обертання тим ширше фази. Це пояснюється двома обставинами: скороченням часу на процеси газообміну і збільшенням швидкостей, а отже, прискорень, а отже, зусиль в приводі клапанів при збільшенні частоти обертання.
Друга обставина накладає жорсткі обмеження на траєкторію руху клапана, особливо на ділянках відкриття і закриття. Це означає, що на ділянці відриву клапана від сідла і його посадки в сідло зміна положення клапана за якийсь кут повороту распредвала дуже мало. На високих швидкостях обертання ці ділянки (початок і закінчення руху клапана) не грають суттєвої ролі в процесах газообміну, на режимі же холостого ходу саме ці ділянки створюють описані вище проблеми нерівномірності на холостому ходу. На практиці проблеми з рівномірністю роботи двигуна на холостому ходу можуть виникнути в результаті подовження (витяжки) приводний ланцюга або заміни розподільчих валів.
Як не дивно, але профіль кулачка у "старого" вала може істотно відрізнятися від профілю "нового". Якщо ми говоримо, що рівномірність роботи двигуна на холостому ходу нас не влаштовує, то для її поліпшення шляхом коригування фаз потрібно чимось жертвувати. У двигунах з двома розподільними валами зменшення перекриття фаз газорозподілу шляхом зміною положення розподілвалів щодо коленвала приносить в жертву потужності режими (зменшення кута перекриття фаз газорозподілу на 6 градусів повороту коленвала на двигуні М60 збільшує час вільного розгону до 6000 об / хв на 4 - 6%) . На одновальних двигунах збільшення теплового зазору в приводі клапанів, з метою зменшення кута перекриття фаз газорозподілу, збільшує прискорення, а отже і зусилля, в приводі клапанів. При цьому підвищується гучність роботи двигуна і ризик прискореного зносу пар кулачок - рокер і ексцентрик - клапан. Тепер, розглянувши вплив фаз газорозподілу на роботу двигуна, постараємося зрозуміти, чому незначна зміна кута перекриття фаз газорозподілу (6 - 10 градусів ПКВ - повороту коленвала) призводить до настільки відчутного збільшення рівня нерівномірності частоти обертання (при розширенні фаз) і, навпаки, при зменшенні кута перекриття фаз нерівномірність різко зменшується?
Справа в тому, що на ділянках початку відкриття і кінця закриття клапана, площа прохідного перетину між сідлом і клапаном змінюється нелінійно. На початковій частині траєкторії відкриття клапана збільшення його прохідного перетину в міру повороту распредвала незначно. Потім, прохідний перетин клапана починає збільшуватися все інтенсивніше. Відповідно, інтегральний показник перекриття фаз газорозподілу, "час - прохідний перетин", буде різко змінюватися при незначній зміні кута взаємного перекриття фаз газорозподілу.
Розглянемо причини виникнення коливань двигуна на опорах при роботі на холостому ходу.
Відомо, що при пострілі, гармата відкочується в бік, протилежний напрямку пострілу: працює закон збереження імпульсу. У випадку з двигуном роль снаряда відводиться коленвалу з маховиком, а роль гармати - блоку циліндрів з навісним обладнанням. Коли колінвал отримує кутове прискорення за годинниковою стрілкою, блок за законом збереження моменту імпульсу, отримує кутове прискорення проти годинникової стрілки.
Відповідно, чим вище нестабільність частоти обертання коленвала (зміна частоти обертання за малий проміжок часу), тим більшою буде амплітуда коливання двигуна на опорах. При роботі на холостому ходу середня частота обертання коленвала підтримується блоком управління двигуном на заданій величині. Поршневий двигун - машина дискретного типу, і ефективність роботи серії робочих тактів не може бути абсолютно однаковою.
Це особливо відноситься до холостого ходу, несприятливість режиму якого була відзначена вище. І, навіть якщо значення середньої ефективності, пораховані по всіх циліндрах двигуна, за який-небудь проміжок часу роботи двигуна (5 - 10 секунд) близькі до нуля, при розгляді серії послідовних робочих тактів спостерігається чергування тактів з позитивною і негативною ефективністю.
Під ефективністю розуміється зміна частоти обертання коленвала на проміжку між ВМТ двох послідовно працюючих циліндрів. Якщо частота обертання зросла - ефективність позитивна, знизилася - негативна. При роботі двигуна зі збільшеним кутом перекриття фаз газорозподілу робочі такти з позитивною і негативною ефективністю можуть слідувати в самих різних комбінаціях, причому, чим більше кут перекриття фаз газорозподілу, тим більші значення як позитивної, так і негативної ефективності будуть у тактів, що становлять робочий процес. Але, якщо простежити послідовно ефективності роботи кожного циліндра на обраному проміжку часу роботи двигуна, то виявляється цікавий факт: в кожному циліндрі робочі такти з позитивною і негативною ефективністю йдуть зі строгим чергуванням.
Тобто, якщо в одному циклі, наприклад, п'ятий циліндр має позитивну ефективність то в наступному - негативну, потім - знову позитивну і так далі. При цьому кожен цикл складається з комбінації робочих тактів з позитивною і негативною ефективністю, двигун сильно розгойдується на опорах, а середня арифметична ефективність робочих тактів від нуля відрізняється не значно. Спробуємо розібратися, чим викликана така робота двигуна? Як уже згадувалося, при збільшенні кута перекриття фаз, в циліндр потрапляє значно більшу кількість продуктів згоряння від попереднього робочого такту, раніше викинутих в випускний тракт. Ці продукти знижують концентрацію реагуючих речовин, і процес згоряння в черговій робочій такті йде погано і неповно. Відповідно, продукти горіння цього робочого такту містять багато кисню і вуглеводнів, і коли цими продуктами розбавляється свіжа суміш подальшого робочого такту, то підсумкова концентрація реагуючих речовин в ньому буде вищою, ніж у двигуна з нормальним кутом перекриття фаз (цьому сприяє більш високий тиск у впускному колекторі). В результаті виходить робочий такт з високою ефективністю і, відповідно, з хорошою повнотою згоряння.
Продукти цього, ефективного робочого такту, містять мало кисню і вуглеводнів і, розбавляючи собою свіжу суміш чергового робочого такту, призводять до його низької ефективності. Таким чином, цей процес повторюється і відбувається у всіх циліндрах двигуна. Нижче наведені фрагменти роботи на холостому ходу двигуна M50B25 Vanos. У першому фрагменті впускний вал повернений вперед на 5 градусів ПКВ, а випускний - назад на 5 градусів ПКВ. У другому фрагменті навпаки, впускний вал повернений назад, а випускний - вперед на ті ж 5 градусів ПКВ. При порівнянні цих фрагментів кидається в очі відмінність по нерівномірності обертання коленвала. Також можна відзначити, при звуженні фаз, скорочення витрати повітря і палива, зниження тиску повітря у впускному колекторі двигуна.
Підводячи підсумок, можна відзначити, що догляд на 3 - 6 градусів повороту коленвала від заводських ТУ при установці розподілвалів у двохвальним двигунів не призводить до відчутного зміни динамічних і економічних показників двигуна. У двигунів з регульованим тепловим зазором в приводі клапанів, збільшення теплового зазору на 0.05 - 0.10 мм також є допустимим.
Дана стаття розглядає нерівномірність роботи двигуна на холостому ходу, викликану виключно особливостями газообміну. За рамками розгляду залишилися проблеми, викликані нерівномірним розподілом картерних газів, різним розподілом палива по циліндрах, різної компресією і т.д.
Автори: Долгов І. А .; Александров А. В.
Спробуємо розібратися, чим викликана така робота двигуна?