Неровный холостой ход двигателя

Холостой ход, несмотря на кажущуюся простоту его реализации в бензиновых двигателях, является весьма неудобным режимом. На этом режиме полезной энергии выделяется ровно столько, чтобы обеспечить вращение коленвала с минимальной устойчивой скоростью, привод механизма газораспределения с осуществлением процессов газообмена и привод вспомогательных агрегатов. Индикаторный КПД на режиме холостого хода минимален. Рабочий процесс в двигателе, работающем на холостом ходу, происходит при весьма неблагоприятном сочетании условий:

• низкая скорость топливно-воздушной смеси в тактах впуска и сжатия не способствует хорошему смесеобразованию;
  


• продолжительное время рабочего цикла способствует интенсивному теплообмену рабочего тела с деталями двигателя;
  


• низкое давление во впускном коллекторе является причиной низкой концентрации реагирующих веществ (углеводородов и кислорода), и, как следствие, процесс сгорания происходит медленно и нестабильно;
  


• перепад давлений между впускным и выпускным коллекторами, в сочетании с большой продолжительностью всех процессов, приводит к обратному забросу отработавших газов в камеру сгорания, и далее во впускной коллектор, в момент перекрытия фаз газораспределения (перекрытие клапанов), что ещё больше снижает концентрации реагирующих веществ в камере сгорания.

На пункты 1 и 2 влияют исключительно конструктивные особенности двигателя. Поговорим теперь о пунктах 3 и 4 и их взаимном влиянии. Для начала вспомним, что поршневой бензиновый двигатель внутреннего сгорания является двигателем с количественным регулированием рабочего процесса, то есть, крутящий момент, снимаемый с коленвала двигателя, зависит от количества поступившей в цилиндр свежей смеси. Ограничение подачи воздуха (топливовоздушной смеси) называется дросселированием. Двигатель душат, не дают ему дышать.

Положением дроссельной заслонки определяется, сколько воздуха попадёт во впускной коллектор при данном перепаде давлений между атмосферным давлением и давлением во впускном коллекторе.

Оценка эффективности работы двигателя

Как оценить эффективность работы двигателя? Очевидным критерием будет расход топлива, отнесённый к производимой работе.

При работе двигателя на холостом ходу эффективная работа равна нулю, следовательно, расход топлива (при прочих равных условиях) однозначно характеризует эффективность работы двигателя на холостом ходу. Но расход топлива и расход воздуха являются взаимосвязанными величинами. На холостом ходу дроссельная заслонка полностью закрыта, воздух поступает во впускной коллектор через РДВ (регулятор добавочного воздуха), и он даёт двигателю столько воздуха, сколько ему нужно для работы на холостом ходу.

Давление во впускном коллекторе

Рассмотрим такой интересный параметр работы двигателя, как давление во впускном коллекторе. При рассмотрении этого параметра можно вспомнить задачу про бассейн, в который по одной трубе вода вливается (дроссельная заслонка), а по другой – выливается (впускные клапана), а уровень воды (давление во впускном коллекторе) является результирующей работы этих двух труб. Только в случае с автомобильным двигателем всё сложнее: расход воздуха через РДВ зависит от его положения и перепада давлений между впускным коллектором и атмосферой, а расход воздуха через впускные клапана зависит от давления во впускном коллекторе и от фаз газораспределения. От давления во впускном коллекторе напрямую зависит, какое количество свежей рабочей смеси попадёт в цилиндр. И если, два одинаковых двигателя работают на холостом ходу с одинаковой дополнительной нагрузкой, обусловленной приводом агрегатов, то индикаторный КПД выше у того двигателя, у которого ниже давление во впускном коллекторе (чем ниже давление (больше разрежение), тем меньше свежей смеси попадает в цилиндры, а если работа этими двигателями совершается одинаковая, то КПД выше у того, который меньше потребляет топлива). Для удобства рассмотрения мы принимаем, что оба рассматриваемых двигателя работают по лямбда-регулированию и с одинаковым УОЗ.

Величина давления во впускном коллекторе оказывает существенное влияние на процесс обратного заброса газов: чем ниже давление во впускном коллекторе, тем большим будет перепад давлений между впускным и выпускным коллекторами, то есть перепад, под действием которого происходит обратный заброс. Если мы начинаем увеличивать угол перекрытия клапанов (время-сечение, когда открыты оба клапана), то тем самым мы резко увеличиваем обратный заброс. Отработавшие газы из выпускного коллектора попадают через открытые клапана и камеру сгорания во впускной коллектор. Во время впуска в цилиндр сначала поступают заброшенные из выпускного коллектора отработавшие газы, а затем только свежая смесь. При неизменном давлении во впускном коллекторе это приведёт к замещению части свежего заряда отработавшими газами (снижение циклового наполнения свежей смесью) и снижению концентрации реагирующих веществ. Оба этих момента ведут к снижению эффективности рабочего цикла. Компенсационной мерой для поддержания частоты вращения двигателя является увеличение расхода воздуха (и топлива) на данной частоте вращения. Увеличение расхода воздуха осуществляется за счёт увеличения проходного сечения РДВ. Это приводит к росту давления во впускном коллекторе (снижению перепада давлений между впускным и выпускным коллекторами) и, как следствие, сокращению обратного заброса отработавших газов.

Соответственно, каждому взаиморасположению фаз газораспределения соответствует свой расход воздуха и топлива и своё давление во впускном коллекторе, обеспечивающие работу двигателя на заданных оборотах холостого хода.
Итак, мы приходим к выводу, что при проведении ремонтных и регулировочных работ реально можно повлиять только на взаимное расположение и ширину перекрытия фаз газораспределения. У каждой компоновочной схемы ГРМ свои особенности. На двигателях с гидрокомпенсаторами зазоров в приводе клапанов и индивидуальными валами на впускные и выпускные клапана фазы газораспределения имеют весьма широкий диапазон возможной установки.

На одновальных (с одним распределительным валом) двигателях с регулируемым тепловым зазором в приводе клапанов, ширина перекрытия фаз газораспределения зависит от профиля кулачков и величины тепловых зазоров (чем больше зазор, тем меньше перекрытие фаз).

На одновальных двигателях с гидрокомпенсаторами зазоров в приводе клапанов влияние на ширину и взаимное положение фаз газораспределения оказывает только профиль кулачков.

Фазы газораспределения

При ремонтном воздействии возможно только совместное смещение фаз газораспределения относительно положения поршня в цилиндре (поворот распредвала относительно коленвала). Нужно отметить, что ширина фаз газораспределения и их взаимное расположение на автомобильных моторах общего назначения выбирается как компромисс между режимами максимальной мощности, максимального крутящего момента, минимальных оборотов под нагрузкой и холостого хода.

Для обеспечения комфортной эксплуатации автомобиля, автомобильный двигатель должен иметь хорошие низы, плавную кривую крутящего момента в широком диапазоне частоты вращения и ровную работу на холостом ходу. На механизм газораспределения возложена задача обеспечить максимальную очистку цилиндра от отработавших газов и максимальное наполнение его свежим зарядом во всём диапазоне работы двигателя.
С точки зрения холостого хода режим максимальной мощности является диаметрально противоположным. И, если для работы на холостом ходу оптимальны узкие фазы газораспределения (позднее открытие – раннее закрытие) без перекрытия фаз, то для максимальной мощности требуются широкие фазы, чем выше максимальная частота вращения тем шире фазы. Это объясняется двумя обстоятельствами: сокращением времени на процессы газообмена и увеличением скоростей, а следовательно, ускорений, а следовательно, усилий в приводе клапанов при увеличении частоты вращения.

Второе обстоятельство накладывает жесткие ограничения на траекторию движения клапана, особенно на участках открытия и закрытия. Это значит, что на участке отрыва клапана от седла и его посадки в седло изменение положения клапана за некий угол поворота распредвала очень мало. На высоких скоростях вращения эти участки (начало и окончание движения клапана) не играют существенной роли в процессах газообмена, на режиме же холостого хода именно эти участки создают описанные выше проблемы неравномерности на холостом ходу. На практике проблемы с равномерностью работы двигателя на холостом ходу могут возникнуть в результате удлинения (вытяжки) приводной цепи или замены распределительных валов.

Как ни странно, но профиль кулачка у старого вала может существенно отличаться от профиля нового. Если мы говорим, что равномерность работы двигателя на холостом ходу нас не устраивает, то для её улучшения путём корректировки фаз нужно чем-то жертвовать. В двигателях с двумя распределительными валами уменьшение перекрытия фаз газораспределения путём изменением положения распредвалов относительно коленвала приносит в жертву мощностные режимы (уменьшение угла перекрытия фаз газораспределения на 6 градусов поворота коленвала на двигателе М60 увеличивает время свободного разгона до 6000 об/мин на 4 – 6 %). На одновальных двигателях увеличение теплового зазора в приводе клапанов, с целью уменьшения угла перекрытия фаз газораспределения, увеличивает ускорения, а следовательно и усилия, в приводе клапанов. При этом повышается шумность работы двигателя и риск ускоренного износа пар кулачок – рокер и эксцентрик – клапан. Теперь, рассмотрев влияние фаз газораспределения на работу двигателя, постараемся понять, почему незначительное изменение угла перекрытия фаз газораспределения (6 – 10 градусов ПКВ - поворота коленвала) приводит к столь ощутимому увеличению уровня неравномерности частоты вращения (при расширении фаз) и, наоборот, при уменьшении угла перекрытия фаз неравномерность резко уменьшается? Дело в том, что на участках начала открытия и конца закрытия клапана, площадь проходного сечения между седлом и клапаном меняется нелинейно. На начальной части траектории открытия клапана увеличение его проходного сечения по мере поворота распредвала незначительно. Затем, проходное сечение клапана начинает увеличиваться всё более интенсивно. Соответственно, интегральный показатель перекрытия фаз газораспределения, время – проходное сечение, будет резко меняться при незначительном изменении угла взаимного перекрытия фаз газораспределения.

Причины колебания двигателя

Рассмотрим причины возникновения колебаний двигателя на опорах при работе на холостом ходу.

Известно, что при выстреле, пушка откатывается в сторону, противоположную направлению выстрела: работает закон сохранения импульса. В случае с двигателем роль снаряда отводится коленвалу с маховиком, а роль пушки – блоку цилиндров с навесным оборудованием. Когда коленвал получает угловое ускорение по часовой стрелке, блок по закону сохранения момента импульса, получает угловое ускорение против часовой стрелки.

Соответственно, чем выше нестабильность частоты вращения коленвала (изменение частоты вращения за малый промежуток времени), тем большей будет амплитуда колебания двигателя на опорах. При работе на холостом ходу средняя частота вращения коленвала поддерживается блоком управления двигателем на заданной величине. Поршневой двигатель – машина дискретного типа, и эффективность работы серии рабочих тактов не может быть абсолютно одинаковой.

Это особенно относится к холостому ходу, неблагоприятность режима которого была отмечена выше. И, даже если значения средней эффективности, посчитанные по всем цилиндрам двигателя, за какой-либо промежуток времени работы двигателя (5 – 10 секунд) близки к нулю, при рассмотрении серии последовательных рабочих тактов наблюдается чередование тактов с положительной и отрицательной эффективностью.
Под эффективностью понимается изменение частоты вращения коленвала на промежутке между ВМТ двух последовательно работающих цилиндров. Если частота вращения возросла – эффективность положительная, снизилась – отрицательная. При работе двигателя с увеличенным углом перекрытия фаз газораспределения рабочие такты с положительной и отрицательной эффективностью могут следовать в самых различных комбинациях, причём, чем больше угол перекрытия фаз газораспределения, тем большие значения как положительной, так и отрицательной эффективности будут у тактов, составляющих рабочий процесс. Но, если проследить последовательно эффективности работы каждого цилиндра на выбранном промежутке времени работы двигателя, то обнаруживается интересный факт: в каждом цилиндре рабочие такты с положительной и отрицательной эффективностью следуют со строгим чередованием.

То есть, если в одном цикле, например, пятый цилиндр имеет положительную эффективность то в следующем – отрицательную, затем – вновь положительную и так далее. При этом каждый цикл состоит из комбинации рабочих тактов с положительной и отрицательной эффективностью, двигатель сильно раскачивается на опорах, а средняя арифметическая эффективность рабочих тактов от нуля отличается не значительно. Попробуем разобраться, чем вызвана такая работа двигателя? Как уже упоминалось, при увеличении угла перекрытия фаз, в цилиндр попадает значительно большее количество продуктов сгорания от предыдущего рабочего такта, ранее выброшенных в выпускной тракт. Эти продукты снижают концентрацию реагирующих веществ, и процесс сгорания в очередном рабочем такте идёт плохо и неполно. Соответственно, продукты горения этого рабочего такта содержат много кислорода и углеводородов, и когда этими продуктами разбавляется свежая смесь последующего рабочего такта, то итоговая концентрация реагирующих веществ в нём оказывается выше, чем у двигателя с нормальным углом перекрытия фаз (этому способствует более высокое давление во впускном коллекторе). В результате получается рабочий такт с высокой эффективностью и, соответственно, с хорошей полнотой сгорания.

Продукты этого, эффективного рабочего такта, содержат мало кислорода и углеводородов и, разбавляя собой свежую смесь очередного рабочего такта, приводят к его низкой эффективности. Таким образом, этот процесс повторяется и происходит во всех цилиндрах двигателя. Ниже приведены фрагменты работы на холостом ходу двигателя M50B25 Vanos. В первом фрагменте впускной вал повёрнут вперёд на 5 градусов ПКВ, а выпускной – назад на 5 градусов ПКВ. Во втором фрагменте наоборот, впускной вал повёрнут назад, а выпускной – вперёд на те же 5 градусов ПКВ. При сравнении этих фрагментов бросается в глаза отличие по неравномерности вращения коленвала. Также можно отметить, при сужении фаз, сокращение расхода воздуха и топлива, снижение давления воздуха во впускном коллекторе двигателя.

На расширенных фазах

На зауженных фазах

Подводя итог, можно отметить, что уход на 3 – 6 градусов поворота коленвала от заводских ТУ при установке распредвалов у двухвальных двигателей не приводит к ощутимому изменению динамических и экономических показателей двигателя. У двигателей с регулируемым тепловым зазором в приводе клапанов, увеличение теплового зазора на 0.05 – 0.10 мм также является допустимым.

Данная статья рассматривает неравномерность работы двигателя на холостом ходу, вызванную исключительно особенностями газообмена. За рамками рассмотрения остались проблемы, вызванные неравномерным распределением картерных газов, различным распределением топлива по цилиндрам, различной компрессией и т.д.

© Copyright Долгов И А; Александров А В