Двигатель внутреннего сгорания: устройство и принципы работы
Двигателем внутреннего сгорания называется разновидность тепловой машины, которая преобразует энергию, содержащуюся в топливе, в механическую работу. В большинстве случае используется газообразное или жидкое топливо, полученное путем переработки углеводородов. Извлечение энергии происходит в результате его сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания имеют ряд недостатков. К ним относятся следующие:
Несмотря на все перечисленные недостатки двигатели внутреннего сгорания пользуются огромной популярностью, в первую очередь – благодаря своей автономности (она достигается за счет того, что топливо содержит в себе значительно большее количество энергии по сравнению с любой аккумуляторной батареей). Одной из основных областей их применения является личный и общественный транспорт.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания
Роторный двигатель внутреннего сгорания
Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания
Когда речь идет о двигателях внутреннего сгорания, следует иметь в виду, что на сегодняшний день существует несколько их разновидностей, которые отличаются друг от друга конструктивными особенностями.
1. Поршневые двигатели внутреннего сгорания характеризуются тем, что сгорание топлива происходит в цилиндре. Именно он отвечает за преобразование той химической энергии, которая содержится в горючем, в полезную механическую работу. Чтобы добиться этого, поршневые двигатели внутреннего сгорания оснащаются кривошипно-ползунным механизмом, с помощью которого и происходит преобразование.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания принято делить на несколько разновидностей (основанием для классификации служит используемое ими топливо).
В бензиновых карбюраторных двигателях образование топливовоздушной смеси происходит в карбюраторе (первый этап). Далее в дело вступают распыляющие форсунки (электрические или механические), местом расположения которых служит впускной коллектор. Готовая смесь бензина и воздуха поступает в цилиндр. Там происходит ее сжатие и поджиг с помощью искры, которая возникает при прохождении электричества между электродами специальной свечи. В случае с карбюраторными двигателями топливовоздушной смеси присуща гомогенность (однородность).
Бензиновые инжекторные двигатели используют в своей работе иной принцип смесеобразования. Он основан на непосредственном впрыске горючего, которое напрямую поступает в цилиндр (для этого используются распыляющие форсунки, называемые также инжектором). Таким образом, образование топливовоздушной смеси, как и ее сгорание, осуществляется непосредственно в самом цилиндре.
Дизельные двигатели отличаются тем, что используют для своей работы особую разновидность топлива, называемую «дизельное» или просто «дизель». Для его подачи в цилиндр используется высокое давление. По мере того, как в камеру сгорания подаются все новые порции горючего, прямо в ней происходит процесс образования топливовоздушной смеси и ее моментальной сгорание. Поджиг топливовоздушной смеси происходит не с помощью искры, а под действием нагретого воздуха, который подвергается в цилиндре сильному сжатию.
Топливом для газовых двигателей служат различные углеводороды, которые при нормальных условиях пребывают в газообразном состоянии. Из этого следует, что для их хранения и использования требуется соблюдать особые условия:
Генераторный газ получают путем переработки твердого топлива (угля, горючих сланцев, торфа и т.п.). По своим основным техническим характеристикам он практически ничем не отличается от других видов газообразного топлива.
Газодизельные двигатели
Данная разновидность двигателей внутреннего сгорания отличается тем, что приготовление основной порции топливовоздушной смеси осуществляется аналогично газовым двигателям. Однако для ее поджига используется не искра, получаемая при помощи электрической свечи, а запальная порция топлива (ее впрыск в цилиндр осуществляется тем же способом, как и в случае с дизельными двигателями).
Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания
К данному классу относится комбинированная разновидность данных устройств. Ее гибридный характер находит свое отражение в том, что конструкция двигателя включает в себя сразу два важных конструктивных элемента: роторно-поршневую машину и одновременно - лопаточную машину (она может быть представлена компрессором, турбиной и т.д.). Обе упомянутых машины на равных принимают участие в рабочем процессе. В качестве характерного примера таких комбинированных устройств можно привести поршневой двигатель, оснащенный системой турбонаддува.
Особую категорию составляют двигатели внутреннего сгорания, для обозначения которых используется английская аббревиатура RCV. От других разновидностей они отличаются тем, что газораспределение в данном случае основывается на вращении цилиндра. При совершении вращательного движения топливо по очереди проходит выпускной и впускной патрубок. Поршень отвечает за движение в возвратно-поступательном направлении.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания: циклы работы
Для классификации поршневых двигателей внутреннего сгорания также используется принцип их работы. По данному показателю двигатели внутреннего сгорания делятся на две большие группы: двух- и четырехтактные.
Двухтактный двигатель
Четырехтактный двигатель
Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания используют в своей работе так называемый цикл Отто, который включает в себя следующие фазы: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Следует добавить, что рабочий ход состоит не из одного, как остальные фазы, а сразу из двух процессов: сгорание и расширение.
Наиболее широко применяемая схема, по которой осуществляется рабочий цикл в двигателях внутреннего сгорания, состоит из следующих этапов:
1. Пока происходит впуск топливовоздушной смеси, поршень перемещается между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). В результате этого внутри цилиндра освобождается значительное пространство, в которое и поступает топливовоздушная смесь, заполняя его. Всасывание топливовоздушной смеси осуществляется за счет разности давления, существующего внутри цилиндра и во впускном коллекторе. Толчком к поступлению топливовоздушной смеси в камеру сгорания служит открытие впускного клапана. Этот момент принято обозначать термином «угол открытия впускного клапана» (φа).
При этом следует иметь в виду, что в цилиндре на этот момент уже содержаться продукты, оставшиеся после сгорания предыдущей порции горючего (для их обозначения используется понятие остаточных газов). В результате их смешения с топливовоздушной смесью, называемой на профессиональном языке свежим зарядом, образуется рабочая смесь. Чем успешнее протекает процесс ее приготовления, тем более полно сгорает топливо, выделяя при этом максимум энергии. В результате растет кпд двигателя. В связи с этим еще на этапе конструирования двигателя особое внимание уделяется правильному смесеобразованию. Ведущую роль играют различные параметры свежего заряда, включая его абсолютную величину, а также удельную долю в общем объеме рабочей смеси.
2. При переходе к фазе сжатия оба клапана закрываются, а поршень совершает движение в обратном направлении (от НМТ к ВМТ). В результате надпоршневая полость заметно уменьшается в объеме. Это приводит к тому, что содержащаяся в ней рабочая смесь (рабочее тело) сжимается. За счет этого удается добиться того, что процесс сгорания топливовоздушной смеси протекает более интенсивно. От сжатия также зависит такой важнейший показатель, как полнота использования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании горючего, а следовательно – и эффективность работы самого двигателя внутреннего сгорания. Для увеличения этого важнейшего показателя конструкторы стараются проектировать устройства, обладающие максимально возможной степенью сжатия рабочей смеси. Если мы имеем дело с ее принудительным зажиганием, то степень сжатия не превышает 12. Если же двигатель внутреннего сгорания работает на принципе самовоспламенения, то упомянутый выше параметр обычно находится в диапазоне от 14 до 22.
3. Воспламенение рабочей смеси дает старт реакции окисления, которая происходит благодаря кислороду воздуха, входящему в ее состав. Этот процесс сопровождается резким ростом давления по всему объему надпоршневой полости. Поджиг рабочей смеси осуществляется при помощи электрической искры, которая имеет высокое напряжение (до 15 кВ). Ее источник располагается в непосредственной близости от ВМТ. В этой роли выступает электрическая свеча зажигания, которую вворачивают в головку цилиндра. Однако в том случае, если поджиг топливовоздушной смеси осуществляется посредством горячего воздуха, предварительно подвергнутого сжатию, наличие данного конструктивного элемента является излишним. Вместо него двигатель внутреннего сгорания оснащается особой форсункой. Она отвечает за поступление топливовоздушной смеси, которая в определенный момент подается под высоким давлением (оно может превышать 30 Мн/м²).
4. При сгорании топлива образуются газы, которые имеют очень высокую температуру, а потому неуклонно стремятся к расширению. В результате поршень вновь перемещается от ВМТ к НМТ. Это движение называется рабочим ходом поршня. Именно на этом этапе происходит передача давления на коленчатый вал (если быть точнее, то на его шатунную шейку), который в результате проворачивается. Этот процесс происходит при участии шатуна.
5. Суть завершающей фазы, которая называется впуском, сводится к тому, что поршень совершает обратное движение (от НМТ к ВМТ). К этому моменту открывается второй клапан, благодаря чему отработавшие газы покидают внутреннее пространство цилиндра. Как уже говорилось выше, части продуктов сгорания это не касается. Они остаются в той части цилиндра, откуда поршень их не может вытеснить. За счет того, что описанный цикл последовательно повторяется, достигается непрерывный характер работы двигателя.
Если мы имеем дело с одноцилиндровым двигателем, то все фазы (от подготовки рабочей смеси до вытеснения из цилиндра продуктов сгорания) осуществляется за счет поршня. При этом используется энергия маховика, накапливаемая им в течение рабочего хода. Во всех остальных случаях (имеются в виду двигатели внутреннего сгорания с двумя и более цилиндрами) соседние цилиндры дополняют друг друга, помогая выполнять вспомогательные ходы. В связи с этим из их конструкции без малейшего ущерба может быть исключен маховик.
Чтобы было удобнее изучать различные двигатели внутреннего сгорания, в их рабочем цикле вычленяют различные процессы. Однако существует и противоположный подход, когда сходные процессы объединяют в группы. Основой для подобной классификации служит положение поршня, которое он занимает в отношении обеих мертвых точек. Таким образом, перемещения поршня образуют тот отправной пункт, отталкиваясь от которого, удобно рассматривать работу двигателя в целом.
Важнейшим понятием является «такт». Им обозначают ту часть рабочего цикла, которая укладывается во временной промежуток, когда поршень перемещается от одной смежной мертвой точки к другой. Такт (а вслед за ним и весь соответствующий ему ход поршня) называется процессом. Он играет роль основного при перемещении поршня, которое происходит между двумя его положениями.
Если переходить к тем конкретным процессам, о которых мы говорили выше (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск), то каждый из них четко приурочен к определенному такту. В связи с этим в двигателях внутреннего сгорания принято различать одноименные такты, а вместе с ними – и ходы поршня.
Выше мы уже говорили о том, что наряду с четырехтактными существуют и двухтактные двигатели. Однако независимо от количества тактов рабочий цикл любого поршневого двигателя состоит из пяти упомянутых выше процессов, а в его основе лежит одна и та же схема. Конструктивные особенности в данном случае не играют принципиальной роли.
Дополнительные агрегаты для двигателей внутреннего сгорания
Важный недостаток двигателя внутреннего сгорания заключается в достаточно узком диапазоне оборотов, в котором он способен развивать значительную мощность. Чтобы компенсировать этот недостаток, двигатель внутреннего сгорания нуждается в дополнительных агрегатах. Самые важные из них – стартер и трансмиссия. Наличие последнего устройства не является обязательным условием лишь в редких случаях (когда, к примеру, речь идет о самолетах). В последнее время все привлекательнее становится перспектива создать гибридный автомобиль, чей двигатель мог бы постоянно сохранять оптимальный режим работы.
К дополнительным агрегатам, обслуживающим двигатель внутреннего сгорания, относится топливная система, которая осуществляет подачу горючего, а также выхлопная система, необходимая для того, чтобы отводить отработавшие газы.
Ознакомиться с ценами на установку газа на Ваш автомобиль и заказать установку ГБО
academygbo.ru
Лабораторная работа №3. Проверка фаз газораспределения ДВС.
Цель. Ознакомление на практике с организацией процессов газообмена в 4-х тактных и двухтактных двигателях; ознакомление с принципом работы и устройством распределительных механизмов приобретение практических навыков по регулировке ГРМ и проверке фаз газораспределения.
Правильный выбор фаз газораспределения оказывает значительное влияние на целый ряд показателей работы двигателей: качество очистки и наполнения цилиндра, работу, затрачиваемую на газообмен, температурный уровень горячих деталей, условия работы выпускной турбины и компрессора, эффективность использования выпускных газов и др.
Как известно, для получения оптимальных условий газообмена целесообразно осуществлять начало открытия и конец закрытия газораспределительных органов с некоторым предварением открытия и запаздыванием закрытия, являющимися оптимальными для данного типа двигателя и условий его работы.
Предварение открытия выпускного органа (клапана или окна) до н. м. т. способствует эффективной очистке цилиндра от продуктов сгорания, достижению наибольших проходных сечений при положении поршня у н. м. т., снижению динамических нагрузок на клапан в начальной стадии его открытия, уменьшению затраты энергии на выталкивание продуктов сгорания и др.
Запаздыванием закрытия выпускного органа (за в.м.т.) обеспечивается: дополнительное удаление части остаточных газов за в.м.т. за счет эжектирующего действия потока выпускных газов; достаточное время — сечение для удаления газов в конце процесса выталкивания продуктов, сгорания; настройка характера импульсов в газовыпускной системе и др.
Предварение открытия впускного клапана (до в.м.т.) создает условия для получения наибольших проходных сечений в клапанах к моменту начала наполнения (у в.м.т.) и осуществления продувки камеры сгорания (КС) за счет перекрытия клапанов.
Запаздывание закрытия впускного клапана (за н. м. т.) дает возможность продлить процесс наполнения за н. м. т., использовать газодинамический напор воздуха для дозарядки и осуществить продувку КС.
С увеличением степени быстроходности двигателей время действия клапана уменьшается; в связи с этим начало предварения и запаздывания впуска и выпуска следует соответственно увеличить.
Рис.1 Перекрытие впускных и выпускных клапанов
1 – свободный выпуск;2-принудительный выпуск;3 –продувка;
4 - наполнение
У большей части двигателей ( особенно с надувом) в результате запаздывания закрытия выпускных клапанов и предварения открытия впускных происходит перекрытие клапанов, т.е. одновременное открытие впускного и выпускного клапанов при положении поршня около в.м.т.(рис.1). Это способствует более совершенной очистке КС, интенсификации продувки КС и заполнению ее воздухом повышенного давления ( вдизелях с ГТН), а также снижению температуры горячих деталей КС
Фазы газораспределения зависят от типа двигателя, особенностей его конструкции, степени быстроходности и других факторов. Оптимальные фазы газораспределения устанавливают экспериментальным путем.
Рис.2. Влияние установки фаз выпуска Рис.3. Влияние фаз газораспределения на ηн
на ηн при переменной частоте вращения
Влияние неправильной установки фаз газораспределения, например для процесса выпуска газов, схематически показано на рис. 2. При слишком раннем открытии клапана (точка 2) уменьшается площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и мощность дизеля. К потери площади приводит и слишком позднее открытие клапана (точка 1). Правильная установка момента предварения выпуска (точка 3) обеспечивает наименьшие потери полезной части диаграммы ( сплошная кривая вправо от точки 3).
В судовых ВОД, работающих при переменной частоте вращения, разным значениям n соответсвует различные оптимальные фазы распределения (рис. 3): кривая 1 для высоких n; кривая 2 – для низких n. В эом случае желательно сходить из оптимальных фаз распеделения, обеспечивающих наиболее высокие ηн на основних, наиболее частых и длительных режимах работы.
В таблице приведены данные по фазам газораспределения четырехтактных судових ДВС.
studfiles.net
Холостой ход, несмотря на кажущуюся простоту его реализации в бензиновых двигателях, является весьма «неудобным» режимом. На этом режиме двигатель задросселирован настолько, что производимой работы хватает только на то, чтобы обеспечить вращение коленчатого вала с минимальной устойчивой скоростью, привод механизма газораспределения с осуществлением процессов газообмена и привод вспомогательных агрегатов. Индикаторный КПД на режиме холостого хода минимален. Как оценить работу двигателя на холостом ходу? Если два одинаковых двигателя работают на холостом ходу с одинаковой дополнительной нагрузкой, то индикаторный КПД выше у того двигателя, у которого ниже цикловое наполнение воздухом и топливом (меньше подведенная теплота). Для удобства рассмотрения мы принимаем, что оба рассматриваемых двигателя работают по лямбда-регулированию и с одинаковым УОЗ. На цикловое наполнение цилиндра воздухом влияет давление во впускном трубопроводе, поэтому в дальнейшем ходе рассуждений давление во впускном трубопроводе будет одним из важных диагностических показателей работы двигателя. Рабочий процесс в двигателе, работающем на холостом ходу, происходит при весьма неблагоприятном сочетании условий:
На пункты 1 и 2 влияют исключительно конструктивные особенности двигателя. Поговорим теперь о пунктах 3 и 4 и их взаимном влиянии.
При работе над этим текстом была проведена серия экспериментов на двух шестицилиндровых рядных двигателях концерна BMW: 1) одновальном двигателе М30 с двумя клапанами на цилиндр и регулируемым тепловым зазором в приводе клапанов и 2) двухвальном двигателе М50 с четырьмя клапанами на цилиндр и гидравлическими толкателями в приводе клапанов. На двигателе М50, с индивидуальными валами впускных и выпускных клапанов, имеется весьма широкий диапазон возможной установки фаз газораспределения путем поворота распределительных валов вперед или назад относительно коленчатого вала. В указанной серии испытаний распределительные валы поворачивались вперед и назад на угол до 10 градусов ПКВ. На одновальном двигателе с регулируемым тепловым зазором в приводе клапанов ширина фаз газораспределения и их взаимное перекрытие зависит от величины тепловых зазоров в приводе клапанов. В проведенной серии испытаний зазор в приводе клапанов изменялся от 0,1 мм до 0,5 мм (при норме 0,3 мм).
На рисунке представлен фрагмент работы двигателя М50 с увеличенной шириной перекрытия фаз газораспределения – впускной вал повернут вперед на 10° ПКВ, выпускной – назад на 10° ПКВ.
На обоих двигателях, при уходе от заводских установок в сторону увеличения угла взаимного перекрытия фаз газораспределения, наблюдалась схожая картина: неравномерность работы двигателя резко возрастала.
На втором рисунке представлен фрагмент работы того же двигателя при заводской установке распределительных валов. Можно отметить, что помимо выравнивания эффективности работы цилиндров, уменьшилось давление во впускном коллекторе и сократилось время активации форсунок, то есть уменьшилось наполнение цилиндров ТВС. Также снизились пульсации давления в коллекторе, уменьшилась амплитуда напряжения на расходомере воздуха.
При дальнейшем уменьшении угла перекрытия фаз газораспределения наблюдалось незначительное снижение неравномерности частоты вращения.
Как уже упоминалось выше, давление во впускном трубопроводе двигателя, при работе его на холостом ходу, является весьма важным параметром, связанным с неравномерностью его работы. От этого параметра во многом зависит, какое количество рабочей смеси попадет в цилиндр. Величина давления во впускном коллекторе оказывает существенное влияние на обратный заброс газов: чем ниже давление во впускном коллекторе, тем большим будет перепад давлений между впускным и выпускным коллектором, то есть перепад, под действием которого происходит обратный заброс. Если мы начинаем увеличивать угол перекрытия фаз газораспределения (время-сечение, когда открыты оба клапана), то тем самым мы резко увеличиваем обратный заброс. Отработавшие газы из выпускного трубопровода попадают через открытые клапана и камеру сгорания во впускной трубопровод. Во время впуска в цилиндр сначала поступают попавшие из выпускного трубопровода отработавшие газы, а затем только свежая смесь. При неизменном давлении во впускном трубопроводе это приведёт к замещению части свежего заряда отработавшими газами (снижение циклового наполнения свежей смесью) и снижению концентрации реагирующих веществ. Оба этих фактора ведут к снижению эффективности рабочего цикла. Компенсационной мерой для поддержания заданной частоты вращения двигателя является увеличение расхода воздуха (и топлива). Это приводит к росту давления во впускном коллекторе (снижению перепада давлений между впускным и выпускным трубопроводами) и, как следствие, частичному сокращению обратного заброса отработавших газов. Соответственно, каждому взаиморасположению фаз газораспределения соответствует свой расход воздуха и топлива и свое давление во впускном коллекторе, обеспечивающие работу двигателя на заданных оборотах холостого хода.
Теперь, рассмотрев влияние фаз газораспределения на работу двигателя, постараемся понять, почему незначительное увеличение перекрытия фаз газораспределения (10 – 20 градусов поворота коленчатого вала) приводит к столь ощутимому увеличению уровня неравномерности частоты вращения? При работе на холостом ходу средняя частота вращения коленчатого вала 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 циклов в одном цилиндре наблюдается чередование циклов с положительной и отрицательной эффективностью. Под эффективностью понимается изменение скорости вращения коленчатого вала 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. 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 эффективность рабочих тактов равна нулю. 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 цикле 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.
Из этого следует вывод – если повышенная неравномерность работы двигателя обусловлена чередованием эффективных и неэффективных циклов в каждом цилиндре, то причиной этого, скорее всего, являются слишком широкие фазы газораспределения.
Детально пронаблюдать эту картину можно только после обработки зарегистрированного фрагмента работы ДВС. Диагностический сканер такой возможности не дает. Следующий вывод – незначительное уменьшение угла перекрытия клапанов может значительно снизить неравномерность вращения коленчатого вала, это будет показано в следующем обзоре.
На рисунке представлены два фрагмента работы продолжительностью около 5 секунд одного и того же двигателя М60 (V8) на холостом ходу. Первый фрагмент – работа двигателя до ремонтного воздействия, второй после корректировки фаз и промывки форсунок. До ремонтного воздействия можно отметить высокую нестабильность частоты вращения коленчатого вала (красный график). Видно как ЭБУ пытается стабилизировать частоту вращения путем увеличения УОЗ и открытием РДВ. Как только частота вращения начинает снижаться, из-за низкой эффективности рабочего процесса в каком-нибудь цилиндре, ЭБУ стремится увеличить эффективность в последующих циклах путем увеличения УОЗ и подачей большого количества воздуха. Эти действия ЭБУ хорошо видны на графике. Следствием открытия РДВ являются бросок на графике расхода воздуха, увеличение давления во впускном коллекторе и увеличение цикловой подачи топлива. При сравнении цветных графиков (до ремонтного воздействия) и черных (после промывки форсунок и корректировки фаз газораспределения) видно существенное снижение амплитуды колебания, как графика частоты вращения, так и стабилизирующих воздействий ЭБУ. Разброс значений УОЗ и скважности РДВ являются косвенными показателями стабильности работы ДВС и нахождении всех его систем вблизи расчетных характеристик.
Совместный анализ графиков работы ДВС до ремонтного воздействия позволяет сделать важные выводы о причинах нестабильной работы двигателя. Неодинаковость протекания рабочего процесса различных цилиндров вызывает отклонение частоты вращения от заданной, а воздействие ЭБУ направленно на стабилизацию частоты вращения. Следовательно, причину нестабильности следует искать в механизмах двигателя (компрессия, фазы ГРМ) или в его исполнительных органах (форсунки, свечи).
На следующем рисунке (большее разрешение, время около 0,5 секунд) хорошо видна эта причинно-следственная связь.
Ситуация могла быть иной, если бы из-за неисправности какого-либо датчика. ЭБУ выдавал бы воздействия, которые приводили бы к дестабилизации скорости вращения коленчатого вала.
Рассмотрим более подробно причины повышенной неравномерности работы двигателя М60 на холостом ходу. Анализируя большое количество зарегистрированных фрагментов, относящихся к работе двигателей М60, можно сделать вывод, что его нестабильная работа вызвана рядом факторов, при неудачном сочетании которых двигатель работает очень неравномерно. Результат неблагоприятного сочетания факторов представлен на следующем рисунке.
Рассмотрим по порядку эти факторы.
Еще одной причиной, вызывающей неодинаковую работу полублоков, является наличие у М60 четырех распределительных валов, взаиморасположение которых между собой и относительно коленчатого вала не всегда является оптимальным. При увеличении угла перекрытия клапанов эффективность работы двигателя на холостом ходу снижается. Это объясняется повышением обратного заброса отработавших газов в цилиндр в момент перекрытия клапанов. Это происходит из-за того, что при работе на холостом ходу давление во впускном коллекторе около 0.4 бара, а в выпускном близко к атмосферному. В момент перекрытия, когда оба клапана приоткрыты, отработавшие газы перетекают из выпускного коллектора обратно в цилиндр. Нужно отметить нелинейную зависимость изменения эффективности работы двигателя от ширины перекрытия фаз газораспределения. При малом перекрытии двигатель ровно работает на холостом ходу, но под нагрузкой наполнение цилиндров свежим зарядом отличается от максимального. Нужно найти золотую середину, когда двигатель работает приемлемо и на холостом ходу, и под нагрузкой.
На предыдущем рисунке распределительные валы стоят строго по меткам. При этом можно отметить явно не одинаковую эффективность работы двух полублоков. Первый полублок работает значительно эффективнее. Теперь посмотрим на линию цикловой подачи топлива. В первый полублок топлива подается явно больше. Не будем забывать, что двигатель работает по лямбда-регулированию, следовательно, меньшая подача топлива во второй полублок вызвана поступлением меньшего количества воздуха. Давление перед впускными клапанами первого и второго полублока одинаково – общий впускной коллектор. Таким образом, мы неизбежно приходим к выводу, что меньшая подача топлива во второй полублок вызвана меньшим наполнением воздухом из-за обратного заброса отработавших газов из выпускного коллектора в момент перекрытия клапанов. Повернув вперед выпускной распределительный вал второго полублока, мы добились более раннего закрытия выпускных клапанов.
Угол перекрытия клапанов второго полублока уменьшился, снизился заброс отработавших газов, повысилась эффективность работы второго полублока. Это вызвало снижение цикловой подачи в целом по двигателю. Если раньше цикловая подача составляла для первого полублока 3.79 мс., для второго 3.41 мс., то теперь она выровнялась и составила для обоих полублоков 3.19 мс., что свидетельствует о сокращении расхода воздуха. Соответственно, на 0,05 бара снизилось давление во впускном коллекторе. Двигатель стал работать значительно ровнее. При анализе свободного разгона двигателя до и после коррекции положения выпускного распределительного вала второго полублока видимых различий не выявлено.
к.т.н. А.В. Александров, к.т.н. И.А. Долгов
www.madi-auto.ru
