Рабочие обороты двигателя: На каких оборотах лучше ездить чтобы продлить ресурс двигателя?

Высокие обороты двигателя

            Исходя из выше перечисленного можно сделать вывод что мотор нужно раскручивать посильнее, так как машина будет откликаться на педаль газа и легко ускоряться, двигатель будет лучше очищаться а расход топлива не так уж сильно увеличится. Это не совсем так. Дело в том, что постоянная езда на высоких оборотах также имеет свои минусы.

           Оптимальными оборотами двигателя можно считать средние и немного выше средних. Например, если на тахометре «зеленая» зона предполагает 6000 об/мин, тогда наиболее рационально держать от 2500 до 4500 об/мин
Оптимальными режимами работы для большинства моторов является показатель от 30 до 70 % от максимального числа оборотов. При таких условиях мотору наносится минимальный ущерб.
           Также, периодически желательно раскручивать хорошо прогретый и исправный мотор с качественным маслом на 80-90% при движении по ровной дороге. В таком режиме будет достаточно проехать 10-15 км. Отметим, что данное действие не нужно повторять часто.
Опытные автолюбители рекомендуют раскручивать двигатель почти до максимума один раз в 4-5 тыс. пробега. Это необходимо по разным причинам, например, чтобы стенки цилиндров изнашивались более равномерно, так как при постоянной езде только на средних оборотах может образоваться так называемая ступенька.

Оптимальные обороты двигателя, при которых износ и расход топлива минимальны. | Электроник

Многие задаются вопросом, на каких оборотах нужно ездить, что бы расход топлива и износ двигателя были минимальными. Для того, что бы ответить на этот вопрос нужно разобраться в том, какие процессы протекают в двигатели и на каких оборотах система смазки и охлаждения работают более эффективно.

Расход топлива сильно зависит от стиля вождения и оборотов двигателя. На повышенных оборотах расход возрастает. Происходит это потому, что число тактов на единицу времени увеличивается. То есть нужно чаще впрыскивать топливо в цилиндр. Наиболее оптимальными оборотами считаются 30 % от оборотов, на которых достигается максимальная мощность двигателя.

Стиль вождения тоже оказывает сильное влияние на расход топлива. Наиболее экономичной считается езда с установившейся скоростью 90-100 километров. При этом любые резкие ускорения и торможения лавинообразно увеличивают расход. При резком открытии дросселя на карбюраторном двигателе, в нем начинает работать ускорительный насос. Он впрыскивает дополнительную порцию топлива в диффузор. Нужно это для того, что бы обогатить смесь, поступающую в цилиндры. В инжекторном двигателе режим обогащения смеси при ускорении устанавливается программно, при этом программный переход на мощностной режим работы зависит от положения дроссельной заслонки. Например, при достижении 70 % открытия дросселя и более контролер начинает рассчитывать состав смеси с обогащением. Это нужно для того, что бы двигатель мог отдать необходимую мощность. По этому, для более экономичной езды нужно избегать больших углов открытия дросселя и резких ускорений при этом обороты нужно держать те же 30% от максимальной мощности, то есть в большинстве случаев это 2000-2500.

Что касается оптимальных оборотов, при которых износ двигателя минимальный, то здесь конкретно сказать об одной установившейся цифре нельзя. Здесь действует золотое правило, чем больше нагрузка на двигатель, тем большие обороты нужно ему давать. Дело в системе смазки. Для того, что бы подшипники коленчатого вала и цилиндропоршневая группа смазывались наиболее эффективно, нужно чтоб масло полностью разделяло пары трения. То есть образовывался так называемый масляный клин. Это когда зазор между деталями полностью заполняется маслом, и нет даже малейшего контакта. На малых оборотах и больших нагрузках давления масла и его объема не хватает для его образования, и с увеличением нагрузок масло может продавливаться. Это приведет к контакту движущихся пар и образованию задиров на поверхностях. Поэтому чем больше нагрузки, тем больше обороты. Но увеличивать их на продолжительное время более чем на 85 процентов от максимальных, тоже не рекомендуется. Потому, что система охлаждения и смазки будут работать на максимуме своих возможностей без запаса. При возникновении в них, каких либо неисправностей, например забитые каналы в системе смазки либо забитый радиатор охлаждения, двигатель может перегреться или образуются задиры на парах трения. Масло, тоже может быть не соответствующего качества и на высоких оборотах ее эффективность будет ниже.

Периодически рекомендуют повышать обороты выше 4000. На это есть две причины.

Устройство клапанного механизма грм таково, что клапана при работе двигателя могут вращаться. Это нужно для того, что бы износ их был равномерен. Но вращаться они могут только на повышенных оборотах. В районе 4000-4500 тысяч. И если периодически не выводить двигатель на эти обороты то на торце клапана появляется выемка от того, что на него давит толкатель. Если клапан проворачивается то износ торца, стержня и тарелки равномерный. Если данная выемка образовалась, то при достижении повышенных оборотов клапан уже не будет проворачиваться, по той причине, что выступ на толкателе входит в выемку на торце клапана и не дает ему вращаться.

Обороты нужно периодически повышать еще и для того, что бы двигатель мог самоочищаться. На малых оборотах температура и турбулентность смеси ниже, чем на больших. Поэтому в камере сгорания возможно повышенное образование нагара. Если проехаться на больших оборотах небольшое расстояние то часть нагара выгорит, а другая часть оторвется от вибрации и улетит с отработанными газами на выпуск. Более подробно об самоочистке двигателя на высоких оборотах можно прочитать здесь.

Можете еще прочитать следующие статьи.

Мужик хотел сдать семерку в чермет из-за непонятной неисправности двигателя. Он объехал все сто причину не нашли. Я нашел.

Все исправно работает, но двигатель заводится плохо. Оригинальная причина.

Какие обороты двигателя нужно держать при езде?

Эксплуатация13 сентября 2017

Режим эксплуатации двигателя – один из главных факторов, влияющих на скорость износа его деталей. Хорошо, когда автомобиль оборудован автоматической коробкой либо вариатором, самостоятельно выбирающим момент перехода на высшую или низшую передачу. На машинах с «механикой» переключением занимается водитель, который «раскручивает» мотор по своему разумению и не всегда правильно. Поэтому автолюбителям без опыта стоит изучить, на каких оборотах лучше ездить, чтобы максимально продлить ресурс силового агрегата.

Движение на малых оборотах с ранним переключением

Зачастую инструктора автошкол и старые водители рекомендуют новичкам ездить «в натяг» – переходить на высшую передачу при достижении 1500–2000 об/мин коленчатого вала. Первые дают советы из соображений безопасности, вторые – по привычке, ведь раньше на машинах стояли низкооборотные моторы. Сейчас подобный режим годится разве что для дизеля, чей максимальный крутящий момент находится в более широком диапазоне оборотов, чем у бензинового двигателя.

Не все автомобили оборудованы тахометрами, поэтому малоопытным водителям при данном стиле езды стоит ориентироваться по скорости движения. Режим с ранним переключением выглядит так: 1-я передача – движение с места, переход на II – 10 км/ч, на III – 30 км/ч, IV – 40 км/ч, V – 50 км/ч.

Подобный алгоритм переключения – признак очень спокойного стиля вождения, дающий несомненное преимущество в безопасности. Минус – в повышении скорости износа деталей силового агрегата и вот почему:

1. Масляный насос достигает номинальной производительности начиная с 2500 об/мин. Нагрузка при 1500–1800 оборотах вызывает масляное голодание, особенно страдают шатунные подшипники скольжения (вкладыши) и компрессионные поршневые кольца.
2. Условия сжигания топливовоздушной смеси далеки от благоприятных. В камерах, на тарелках клапанов и днищах поршней усиленно откладывается нагар. В процессе работы эта сажа раскаляется и воспламеняет топливо без искры на свече зажигания (эффект детонации).
3. Если нужно резко увеличить обороты двигателя при езде с самых «низов», вы нажимаете на акселератор, но разгон остается вялым, пока мотор не достигнет своего крутящего момента. Но как только это происходит, вы включаете высшую передачу и частота вращения коленвала снова падает. Нагрузка большая, смазки недостаточно, помпа слабо перекачивает антифриз, отсюда возникает перегрев.
4. Вопреки распространенному мнению, экономия бензина в данном режиме отсутствует. При нажатии на педаль газа топливная смесь обогащается, но сгорает не полностью, значит, расходуется впустую.

Владельцам авто, оснащенных бортовым компьютером, легко убедиться в неэкономичности движения «в натяг». Достаточно включить на дисплее показ мгновенного расхода горючего.

Подобная манера езды усиленно изнашивает силовой агрегат, когда автомобиль эксплуатируется в тяжелых условиях – по грунтовым и проселочным дорогам, с полной загрузкой либо прицепом. Не стоит расслабляться и владельцам авто с мощными моторами объемом 3 л и более, способными резко ускоряться с «низов». Ведь для интенсивного смазывания трущихся деталей двигателя нужно держать минимум 2000 об/мин коленчатого вала.

Чем вредна высокая частота вращения коленвала?

Манера езды «тапку в пол» подразумевает постоянное раскручивание коленчатого вала до 5–8 тыс. оборотов за минуту и позднее переключение скоростей, когда от шума двигателя буквально звенит в ушах. Чем чреват данный стиль вождения, кроме создания аварийных ситуаций на дороге:

• все узлы и агрегаты автомобиля, а не только мотор, испытывают максимальные нагрузки в течение срока эксплуатации, что снижает общий ресурс на 15–20%;
• из-за интенсивного нагрева двигателя малейший сбой охлаждающей системы ведет к капитальному ремонту вследствие перегрева;
• трубы выхлопного тракта прогорают значительно быстрее, а вместе с ними – дорогостоящий катализатор;
• ускоренно изнашиваются элементы трансмиссии;
• поскольку частота вращения коленвала превышает нормальные обороты чуть ли не вдвое, расход горючего тоже увеличивается в 2 раза.

Эксплуатация автомобиля «на разрыв» имеет дополнительный негативный эффект, связанный с качеством дорожного покрытия. Движение на большой скорости по неровным дорогам буквально убивает элементы подвески, причем в кратчайшие сроки. Достаточно влететь колесом в глубокую выбоину – и передняя стойка согнется либо треснет.

Общее техническое состояние автомобиля, в том числе его двигателя, системы охдаждения, трансмиссии и многое другое, всегда можно проверить с помощью персонального ODB-II автосканера. Одним из лучших представителей данного рода устройств является сканер корейской сборки Scan Tool Pro Black Edition.

Помимо точной диагностики всех узлов и агрегатов автомобиля, автосканер способен в режиме реального времени отображать обороты, давление масла, показания со всех датчиков и т.д. Сканер совместим с большинством автомобилей имеющих ODB-II разъём и довольно прост в эксплуатации. Информацию о состоянии вашего авто всегда можно вывести на любое устройство под управлением iOS, android или windows.

Как правильно ездить?

Если вы не автогонщик и не приверженец езды «внатяжку», которому трудно переучиться и поменять стиль вождения, то для сбережения силового агрегата и автомобиля в целом старайтесь удерживать рабочие обороты двигателя в диапазоне 2000–4500 об/мин. Какие бонусы вы получите:

1. Пробег до капитального ремонта мотора увеличится (полный ресурс зависит от марки авто и мощности мотора).
2. Благодаря сгоранию топливовоздушной смеси в оптимальном режиме вы сможете экономить горючее.
3. Быстрый разгон доступен в любой момент, стоит лишь нажать на педаль акселератора. Если оборотов недостаточно, с ходу переключайтесь на низшую передачу. Те же действия повторяйте при движении в гору.
4. Система охлаждения будет функционировать в рабочем режиме и убережет силовой агрегат от перегрева.
5. Соответственно, дольше прослужат элементы подвески и трансмиссии.

Рекомендация. На большинстве современных автомобилей, оснащенных высокооборотными бензиновыми моторами, лучше переключать передачи при достижении порога 3000 ± 200 об/мин. Это касается и перехода с высшей на низшую скорость.

Как говорилось выше, приборные панели авто не всегда имеют тахометры. Для водителей с малым стажем вождения это является проблемой, поскольку частота вращения коленвала неизвестна, а ориентироваться по звуку новичок не умеет. Есть 2 вариант решения вопроса: купить и установить на торпедо электронный тахометр либо пользоваться таблицей, где указаны оптимальные обороты двигателя по отношению к скорости движения на разных передачах.

Примечание. Учитывая, что у различных марок и модификаций машин разное соответствие скорости движения и числа оборотов, в таблице приведены усредненные показатели.

Несколько слов о езде накатом с горы либо после разгона. В любой системе топливоподачи предусмотрен режим принудительного холостого хода, активирующийся в определенных условиях: автомобиль движется накатом, включена одна из передач, а обороты коленвала не опускаются ниже 1700 об/мин. Когда режим активирован, подача бензина в цилиндры блокируется. Так что вы спокойно можете тормозить двигателем на высшей скорости, не боясь напрасно израсходовать горючее.

На каких оборотах двигателя лучше ездить

Практически каждому водителю хорошо известно, что от индивидуального стиля езды напрямую зависит ресурс двигателя и других узлов автомобиля. По этой причине многие автовладельцы, особенно начинающие, часто задумываются о том, на каких оборотах лучше ездить. Далее мы рассмотрим, какие обороты мотора нужно держать с учетом разных дорожных условий во время эксплуатации транспортного средства.

Содержание статьи

Ресурс двигателя и обороты при езде

Начнем с того, что грамотная эксплуатация и постоянное поддержание оптимальных оборотов двигателя позволяет добиться увеличения моторесурса. Другими словами, существуют  режимы работы, когда мотор изнашивается меньше всего. Как уже было сказано, срок службы ДВС зависит от стиля вождения, то есть сам водитель может условно «регулировать» данный параметр. Отметим, что данная тема является предметом обсуждений и споров. Если конкретнее, водители делятся на три основные группы:

• к первым относятся те, кто эксплуатирует двигатель на низких оборотах, постоянно передвигаясь «внатяг».
• ко вторым следует отнести таких водителей, которые только периодически раскручивают свой мотор до оборотов выше средних;
• третьей группой считаются автовладельцы, которые постоянно поддерживают силовой агрегат в режиме выше средних и высоких оборотов двигателя, часто загоняя стрелку тахометра в красную зону.

Езда на низких оборотах

Давайте разбираться подробнее. Начнем с езды на «низах». Такой режим означает, что водитель не поднимает обороты коленвала выше 2.5 тыс. об/мин. на бензиновых двигателях и держит около 1100-1200 об/мин. на дизеле. Такая манера езды навязывается многим еще со времен автошколы. Инструкторы авторитетно утверждают, что ездить необходимо на самых низких оборотах, так как в данном режиме достигается наибольшая экономия топлива, двигатель нагружен меньше всего и т.д.

Отметим, что на курсах вождения советуют не крутить агрегат, так как одной из главных задач является максимальная безопасность. Вполне логично, что низкие обороты в этом случае неразрывно связаны с ездой на малых скоростях. Логика в этом есть, так как медленное и размеренное движение позволяет быстрее научиться ездить без рывков при переключении передач на автомобилях с МКПП, приучает начинающего водителя двигаться в спокойном и плавном режиме, обеспечивает более уверенный контроль над автомобилем и т. д.

Очевидно, что после получения водительского удостоверения такая манера езды далее активно практикуется и на собственном авто, перерастая в привычку. Водители данного типа начинают нервничать, когда в салоне начинает прослушиваться звук раскрученного мотора. Им кажется, что повышение шума означает значительное увеличение нагрузки на ДВС.

Что касается самого двигателя и его ресурса, слишком «щадящая» эксплуатация срока службы ему не добавляет. Более того, все происходит с точностью до наоборот. Представим ситуацию, когда машина движется со скоростью 60-км/ч на 4-й передаче по ровному асфальту, обороты, допустим, на отметке около 2 тыс. В таком режиме двигателя почти не слышно даже на бюджетных авто, топливо расходуется минимально. При этом главных минусов в такой езде два:

• практически полностью отсутствует возможность резко ускориться без переключения на пониженную передачу, особенно на «атмосферниках».
• после изменения рельефа дороги, например, на подъемах, водитель не переключается на пониженную передачу. Вместо переключения он просто сильнее нажимает на педаль газа.

В первом случае мотор, зачастую, находится вне «полки» крутящего момента, что не позволяет быстро разогнать машину при такой необходимости. В результате, подобная манера езды влияет на общую безопасность движения. Второй пункт напрямую сказывается на двигателе. Прежде всего, движение на низких оборотах под нагрузкой с сильно нажатой педалью газа приводит к детонации мотора. Указанная детонация в буквальном смысле слова разбивает силовой агрегат изнутри.

Что касается расхода, экономия практически полностью отсутствует, так как более сильное нажатие на педаль газа на повышенной передаче под нагрузкой вызывает обогащение топливно-воздушной смеси. В результате расход горючего увеличивается.

Также езда «внатяг» повышает износ двигателя даже в случае отсутствия детонации. Дело в том, что на низких оборотах нагруженные трущиеся детали мотора смазываются недостаточно.  Причиной является зависимость производительности маслонасоса и создаваемого им давления моторного масла в смазочной системе от все тех же оборотов двигателя. Другими словами, подшипники скольжения рассчитаны на работу в условиях гидродинамической смазки. Такой режим предполагает подачу масла под давлением в зазоры между вкладышами и валом. Так создается нужная масляная пленка, которая препятствует износу сопряженных элементов.  Эффективность гидродинамической смазки имеет прямую зависимость от оборотов двигателя, то есть чем больше оборотов, тем выше давление масла.  Получается, при большой нагрузке на двигатель с учетом низкого числа оборотов существует большой риск сильного износа и поломки вкладышей.

Еще одним аргументом против езды на низких оборотах является усиленное коксование двигателя. Простыми словами, с набором оборотов растет нагрузка на ДВС и температура в цилиндрах существенно повышается. В результате часть нагара попросту выгорает, чего не происходит при постоянной эксплуатации на «низах».

Высокие обороты двигателя

Ну что, скажете вы, ответ очевиден. Мотор нужно раскручивать посильнее, так как машина будет уверенно откликаться на педаль газа, легко идти на обгон, двигатель очистится, расход топлива не так уж сильно возрастет и т. д. Это так, но только отчасти. Дело в том, что постоянная езда на высоких оборотах также имеет свои минусы.

Высокими оборотами можно считать такие, которые превышают приблизительный показатель около 70% от общего числа доступных для бензинового двигателя. С дизелем ситуация немного другая, так как агрегаты данного типа изначально менее оборотистые, но имеют более высокий крутящий момент. Получается, высокими оборотами для моторов данного типа можно считать те, которые находятся за « полкой» крутящего момента дизеля.

Также следует учитывать, что на режимах высоких оборотов требования к качеству моторного масла повышаются. Смазочный материал должен обеспечивать надежную защиту, то есть соответствовать заявленным характеристикам по вязкости, стабильности масляной пленки и т. д.

Игнорирование данного утверждения приводит к тому, что каналы системы смазки при постоянной езде на высоких оборотах могут забиться. Особенно часто это происходит при использовании дешевой полусинтетики или минерального масла. Дело в том, что многие водители меняют масло не раньше, а строго по регламенту или даже позже этого срока. В результате происходит разрушение вкладышей, нарушая работу коленвала, распредвала и других нагруженных элементов.

Какие обороты считаются оптимальными для мотора

Для сохранения ресурса двигателя лучше всего ездить на таких оборотах, которые условно можно считать средними и немного выше средних. Например, если на тахометре «зеленая» зона предполагает 6 тыс. об/мин, тогда наиболее рационально держать от 2.5 до 4.5 тыс.

В случае с атмосферными ДВС конструкторы стараются уместить полку крутящего момента именно в этом диапазоне. Современные турбированные агрегаты обеспечивают уверенную тягу на более низких оборотах мотора (полка момента более широкая), но двигатель все равно лучше немного раскручивать.

Специалисты утверждают, что оптимальными режимами работы для большинства моторов является показатель от 30 до 70 % от максимального числа оборотов при езде. При таких условиях силовому агрегату наносится минимальный ущерб.

Напоследок добавим, что периодически желательно раскручивать хорошо прогретый и исправный мотор с качественным маслом на 80-90% при движении по ровной дороге. В таком режиме будет достаточно проехать 10-15 км. Отметим, что данное действие не нужно повторять часто.

Опытные автолюбители рекомендуют раскручивать двигатель почти до максимума один раз в 4-5 тыс. пройденных километров. Это необходимо по разным причинам, например, чтобы стенки цилиндров изнашивались более равномерно, так как при постоянной езде только на средних оборотах может образоваться так называемая ступенька.

Читайте также

Гулять запрещено: что такое холостые обороты, и от чего они зависят

Если спросить автовладельца, что такое холостые обороты мотора, он наверняка ответит, что это режим, в котором мотор работает без нагрузки, и будет полностью прав. Многие даже смогут точно назвать правильную величину оборотов для их автомобилей. Но почему эти обороты именно такие? Почему не больше, не меньше, почему они изменяются, как и для чего поддерживаются? Сегодня мы попробуем в этом разобраться.

Как всё начиналось

На первых моторах не существовало даже самого понятия холостых оборотов. Частота рабочих и холостых оборотов практически совпадала, а рабочий диапазон двигателя был крайне мал (приблизительно всего от 250 до 450 оборотов в минуту). Ну а куда деваться: меньше нельзя, выше не крутится… Фитильные карбюраторы имели весьма небольшой рабочий диапазон и при малом потоке смеси сильно «переливали». Фактически их настраивали только на рабочие обороты.

Ситуация поменялась примерно к 1915 году. Появление на Packard Twin Six настоящего карбюратора с жиклерами и управления опережением зажигания позволило решить две задачи. Во-первых, значительно увеличить мощность, увеличив рабочие обороты до 3000 в минуту, а во-вторых, снизить устойчивые обороты за счет введения специальной системы смесеобразования на малых оборотах. Иными словами, системы холостого хода.

Все более поздние конструкции карбюраторов уже предусматривали регулировку и настройку смесеобразования на холостых оборотах, часто используя для этого режима отдельные дозирующие системы. Конечно, экология и даже ресурс для тех конструкций не были определяющими факторами, но моторы просто не могли работать на оборотах ниже тех, на которых мог создавать смесь карбюратор. Но затем система стала значительно сложнее.

Зачем нужны холостые обороты?

Пока мотор заглушен, никакого крутящего момента он, разумеется, не создаёт. Но и при работающем моторе мощность растет исключительно с ростом оборотов, а крутящий момент имеет пик в области средних или высоких оборотов (на наддувных двигателях момент появляется раньше, но тоже далеко не с нуля).

Чтобы нагрузить мотор полезной нагрузкой, нужно, чтобы он уже устойчиво крутился и был готов создавать крутящий момент. Иначе он просто заглохнет. Простите, что так сложно объясняю простую вещь, но это крайне важный для понимания дальнейшего момент.

Нагрузить ДВС можно только если он уже работает на устойчивых и достаточных для восприятия нагрузки оборотах. Никаких способов обойти это ограничение нет. Можно только избежать этой проблемы, используя дополнительный двигатель, который будет работать вместо ДВС до достижения тем рабочих оборотов. Например, такую функцию выполняет электромотор на гибридах или пневматический стартер с избыточной мощностью.

Те обороты, с которых мотор может воспринимать нагрузку, и называются холостыми.

Все обороты выше холостых — рабочие. Ниже начинается зона пусковых оборотов, на которых двигатель не переносит нагрузку по тем или иным причинам. Для большинства моторов легковых автомобилей холостые обороты составляют 500-900 оборотов в минуту, что не так уж мало. В случае использования АКПП можно немного «схитрить» и установить холостые обороты без нагрузки со стороны трансмиссии ниже, повышая их только при включении режима «Drive» в коробке.

Почему холостые обороты не постоянны?

При разных системах питания причины изменения холостых оборотов различны. На ДВС с простыми нерегулируемыми карбюраторами обороты зависят от нагрузки и смесеобразования. Если срабатывают автоматы увеличения оборотов, то с ростом нагрузки обороты будут падать. То же самое произойдёт из-за плохого смесеобразования, но этого стараются избежать, применяя различные системы холодного запуска, которые завышают обороты для обеспечения устойчивой работы двигателя.

Чем совершеннее система питания, тем менее заметны колебания. С простым карбюратором водитель сам регулирует холостые обороты. Его вмешательство требуется, если температура двигателя или нагрузка на него отличаются от выставленных при регулировке холостых оборотов. С электронным карбюратором с автоматом холодного запуска водитель уже ничего не регулирует, но обороты заметно повышаются для обеспечения устойчивой работы до прогрева.

Системы впрыска разве что позволят немного завысить холостые обороты до прогрева лямбда-сенсоров и удержат их чуть повышенными до нормализации смесеобразования на 100-1000 оборотов в минуту. И ещё они могут немного увеличить обороты при увеличении нагрузки со стороны системы кондиционирования или нагрузки от генератора. Во всех остальных случаях исправная система должна поддерживать обороты практически постоянными, в пределах +/- 30 оборотов в минуту.

К сожалению, все способы регулирования не идеальны. Регуляторы ХХ и дроссельные заслонки с электроприводом со временем загрязняются, не все свечи и форсунки работают идеально, системы EGR пропускают газы, сбоят системы регулирования фаз, а у цилиндров может быть разная компрессия, отчего в реальной жизни на старых машинах обороты все же немного «гуляют»: излишне просаживаются под нагрузкой или наоборот, завышаются.

Почему холостые обороты именно такие?

Выбор холостых оборотов — это всегда компромисс. Увеличивать их – значит увеличивать расход топлива и теплоотдачу двигателя без нагрузки, что, очевидно, является плохой идеей и для гражданской машины не годится. Снижение же приводит сразу к нескольким неприятным последствиям.

Во-первых, нарушается смесеобразование. Процессы в ДВС динамические, и вся его конструкция рассчитана на рабочие обороты. При снижении частоты вращения ухудшается очистка цилиндров от отработанных газов, затрудняется наполнение цилиндров свежей смесью, растут потери на перепуск, а значит, падает и мощность.

Может, такое занижение ХХ сделает мотор хотя бы экологичнее? Тоже нет. Скорее, наоборот. Даже если двигатель сохраняет возможность восприятия нагрузки на оборотах менее холостых, его рабочий процесс будет далек от расчетного. Например, на оборотах менее 400-500 часто даже катколлекторы перестают прогреваться до рабочей температуры, а количество пропусков зажигания растет.

Серьезной проблемой является снижение давления масла и объема его подачи. Тут все просто: меньше обороты — ниже давление. При каком-то минимуме давления подшипники скольжения выходят из режима жидкостного трения, и ресурс мотора стремительно уменьшается. И чем выше нагрузка, тем выше должно быть давление, а значит, и обороты мотора.

Нагрузка на мотор уже на холостых оборотах может быть значительной (особенно с МКПП). Автоматические коробки передач способны предотвратить неприятности, но проблемы полностью не решают, хотя значительно увеличивают ресурс ДВС в целом. В результате давление масла на холостых оборотах должно быть уже достаточным для восприятия полной нагрузки на мотор. К сожалению, чем выше давление и производительность маслонасоса на холостых оборотах, тем больше избыток давления на рабочих. А значит больше расход топлива, меньше ресурс масла. Регулируемый маслонасос позволяет немного улучшить ситуацию, но в основном все же служит для компенсации избыточного снижения давления масла после прогрева двигателя, а не для снижения оборотов холостого хода.

На машинах с автоматической коробкой передач нужно учитывать и ее «пожелания». Ведь маслонасос АКПП приводится от коленчатого вала двигателя, а значит и работа коробки передач зависит от оборотов холостого хода. При слишком малых оборотах давления не хватит на корректную работу механико-гидравлической системы управления. А для систем старт-стоп приходится устанавливать гидроаккумуляторы и дополнительные электронасосы. Это позволяет гидравлике включаться в работу сразу при запуске двигателя, а не спустя пять-десять секунд.

Привод различного навесного оборудования тоже создает сложности. Генератор, насосы ГУРа и кондиционера и помпа системы охлаждения имеют ограниченный рабочий диапазон, поэтому передаточное отношение системы привода дополнительных агрегатов подбирают с учетом максимальных оборотов двигателя. А минимальные обороты любого из устройств и нагрузка на подсистемы машины ограничивают нижнее значение холостых оборотов. Слишком большое снижение оборотов может привести к перегреву многоцилиндровых моторов из-за нарушения циркуляции жидкости, к разряду аккумулятора или неработоспособности системы кондиционирования. Правда, эти проблемы тоже решаемы.

Тут выручают переход на электроприводы усилителя руля, насосов системы охлаждения и кондиционера и установка регулируемого привода помпы. К счастью, генераторы имеют очень большой рабочий диапазон и не теряют КПД при высоких оборотах. Но у этих мер есть и недостатки. Зачастую они влекут за собой лишние затраты, а часто — и снижение КПД систем за счет двойного преобразования энергии.

Вибрация мотора при снижении оборотов в основном связаны с неустойчивостью рабочего процесса, но есть у неё и несколько других причин. Например, система подвески ДВС умеет гасить колебания только в определенном диапазоне частот. И чем ниже обороты, тем сложнее гасить возникающие вибрации. Причём помимо вибраций, передаваемых на кузов и влияющих на комфорт водителя и пассажиров, существует еще такая вещь как крутильные колебания, которые разрушительно действуют на трансмиссию и колеса.

Чем ниже обороты мотора, тем сложнее их гасить. Приходится или использовать не блокируемые гидротрансформаторы или двухмассовые маховики, или сочетание двух технологий одновременно. Повышение оборотов холостого хода позволяет снизить колебания момента при каждом обороте, отодвинуть частоты всех колебаний дальше от резонансных и сделать работу всех систем подавления вибраций эффективнее.

Как спокойная манера езды может привести к серьезным поломкам?

Часто для экономии топлива или снижения нагрузки на двигатель и коробку передач автовладельцы выбирают спокойный стиль, не раскручивая мотор во время разгона больше 2000 оборотов в минуту. Считается, что такая манера езды будет щадящей для двигателя. Однако многие мастера, которые занимаются ремонтом автомобилей, всё же отмечают, что в отдельных ситуациях она как раз будет вредна для машины. Поговорим о том, почему не следует постоянно ездить на низких оборотах.

Нужно также помнить, что с низких оборотов сразу же интенсивно разогнаться и выполнить безопасный обгон будет невозможно. Многие моторы сегодня оснащены турбинами — соответственно, максимум тяги у них достигается на уровне 3000 оборотов коленвала в минуту. В итоге, если водитель держит 100 км/ч и полторы оборотов в минуту, и при этом ему необходимо резко ускориться — разгоняться машина будет медленно, пока двигатель не раскрутится до нужных оборотов, лишь после этого будет резкий прирост мощности. Такие обгоны попросту небезопасны.

Давление масла внутри двигателя также будет зависеть от показателя оборотов и скорости автомобиля. Если мотор работает практически на холостых оборотах — не обеспечивается оптимальное давление в системе, а подвижные элементы плохо связываются. В двигателе отмечается преждевременный износ, и в последующем автовладельца, который таким способом сэкономил, будет ожидать дорогостоящий и сложный ремонт.

А еще при постоянной езде на небольших оборотах быстро появляется так называемое закоксовывание двигателя. Внутри масляных каналов появляются небольшие отложения, в камере сгорания возникает нагар — а в последующем потребуется сложная очистка мотора, для чего придется его вскрывать. При том, что такого загрязнения можно было бы запросто избежать, если автовладелец хотя бы один-два раза в месяц «вжарит» на пустой трассе, раскручивая двигатель до максимума, и выполнит тем самым простейшую очистку мотора.

На автомобилях с «механикой», если водитель переключает коробку буквально на 2000 оборотах в минуту, появляются проблемы с МКП; в конечном счете, возникает вибрация, трансмиссия быстро изнашивается, после чего требуется дорогостоящий восстановительный ремонт. Лучше всего переключать коробку передач на 3000 оборотов в минуту, тогда обеспечивается необходимая интенсивность разгона и снижается нагрузка на двигатель и МКП.

 И напоследок: при медленном движении автомобиля безопасность на загородных трассах, как ни парадоксально, только ухудшается. Автомобиль, который едет со скоростью меньше 80 км/ч, воспринимается уже как угроза для других участников дорожного движения. И чтобы не собирать за собой очередь машин, которые хотели бы вас обогнать, следует всё же соизмерять скорость передвижения с возможностями вашего автомобиля и состоянием дорожного полотна.

Обороты двигателя — обзор

Четырехтактный двигатель

Современный среднеоборотный двигатель почти всегда представляет собой четырехтактный цилиндрический поршневой двигатель со значительными отличиями от низкооборотных двухтактных двигателей с поперечной головкой. Термин «цилиндрический поршневой двигатель» происходит от названия юбки или ствола поршня, как его обычно называют. Ствол действует как крестовина двухтактного двигателя, поглощая и передавая тягу на поршень. Таким образом, между коленчатым валом и поршнем находится только цельный шатун.Это способствует уменьшению высоты двигателя и, соответственно, более короткому ходу. Большинство четырехтактных двигателей имеют более квадратную форму, чем двухтактные, хотя в последнее время в стремлении к более высокой выходной мощности стал более распространенным более длинный ход.

Существенная разница между двумя типами заключается в смазке. В средне- и высокоскоростных двигателях есть общая система смазки картером и гильзами цилиндров, и отдельная система смазки не требуется для смазки верхнего цилиндра, как в низкооборотном двигателе.

За последнее десятилетие были достигнуты значительные успехи в повышении надежности и долговечности среднеоборотных двигателей как на стадии проектирования, так и благодаря поддержке в процессе эксплуатации передовых систем мониторинга и диагностики. Прежние слабые места в более ранних поколениях среднеоборотных двигателей были устранены в новых моделях, в которых использовались расчеты методом конечных элементов при проектировании высоконагруженных компонентов. Теперь конструкторы доказывают достоинства новых поколений длинноходных среднеоборотных двигателей с более высокой удельной мощностью, позволяющими меньшее количество цилиндров удовлетворить заданную потребность в мощности и способствовать компактности, надежности, сокращению затрат на техническое обслуживание и упрощению обслуживания.Также отмечается прогресс в экономии топлива и смазочного масла, наряду с улучшенной способностью сжигать тяжелое топливо от пирса к пирсу и большей гибкостью рабочих характеристик во всем диапазоне нагрузок.

Блоки цилиндров с полным охлаждением по внутреннему диаметру и камеры сгорания, образованные гильзой, головкой и поршнем, сочетают в себе хорошую прочность и жесткость с хорошим контролем температуры, которые являются важными факторами при сжигании низкокачественного жидкого топлива. Низкий уровень шума и вибрации, достигаемый современными среднеоборотными двигателями, может быть дополнительно снижен за счет использования упругих систем крепления — технологии, которая значительно улучшилась в последние годы.

Ограничения IMO Tier II на выбросы NOx в выхлопных газах, как правило, могут быть комфортно соблюдены среднеоборотными двигателями с использованием первичных мер, влияющих на процесс сгорания (в некоторых случаях утверждается, без ущерба для удельного расхода топлива). Например, технология сгорания Wärtsilä с низким уровнем выбросов NOx включает высокое давление впрыска топлива (до 2000 бар) для сокращения продолжительности впрыска, высокую степень сжатия (16: 1), максимальное давление в цилиндре до 210 бар и ход поршня. отношение диаметра ствола> 1.2: 1. Обеспокоенность по поводу выбросов дыма, особенно со стороны операторов круизных судов в экологически уязвимых районах, потребовала от разработчиков двигателей особых мер, направленных на этот рынок, в частности, системы впрыска топлива Common Rail (CR) с электронным управлением.

Проекты CR в настоящее время доминируют в производственных программах по всему сектору на благо операторов судов и окружающей среды. Значительные преимущества обеспечивает эксплуатационная гибкость двигателя, экономичность и экологичность благодаря системе, в которой создание давления топлива и впрыск топлива не взаимосвязаны.

В отличие от традиционной системы, давление впрыска в конфигурации CR не зависит от частоты вращения двигателя, а полное давление всегда доступно при всех нагрузках, вплоть до холостого хода. Таким образом обеспечивается высокоэффективное и чистое сгорание во всем рабочем диапазоне двигателя, что дает экономические и экологические преимущества. Оптимальное давление впрыска и время впрыска могут быть выбраны для данного рабочего режима — независимо от частоты вращения двигателя — и схемы пилотного впрыска и последующего впрыска могут использоваться для удовлетворения различных требований: например, невидимый выхлоп при самых низких нагрузках и сокращение выбросов NOx при средних нагрузках, без подрывая экономию топлива.

Концепция топливных систем CR с электронным управлением была оценена в течение многих лет до ее внедрения в программы по двигателям. Однако реальные решения требовали разработки быстрых и надежных железнодорожных клапанов и электронного управления. Достижения в области материалов и технологий производства также позволили создать системы, способные работать с тяжелым топливом и давлением от 1500 бар и выше.

Успешное применение схем CR в автомобильном дизельном топливе в силовых агрегатах легковых и грузовых автомобилей в значительной степени было обусловлено более строгими правилами выбросов, которые требовали гибких систем впрыска топлива, предлагающих изменение скорости впрыска, свободную регулировку давления впрыска, регулируемое начало впрыска и предварительную установку. — и постинъекционные паттерны.Текущие и будущие ограничения выбросов в судоходстве стимулировали переход на судовые двигатели. Все более строгие нормы по NOx и дыму в выхлопных газах трудно соблюдать без интеллектуальных средств управления и гибкой системы впрыска, если эффективность двигателя должна оставаться прежней. Работа с частичной нагрузкой ставит особую задачу в удовлетворении требований по невидимости дыма без технологии CR.

Простота осмотра и капитального ремонта — важное соображение в эпоху низкого уровня укомплектованности персоналом и более быстрых ремонтов в порту — решена за счет уменьшения общего количества компонентов (в некоторых случаях на 40% меньше, чем в двигателях предыдущего поколения). комплексными и модульными сборками с использованием многофункциональных компонентов.Упрощенные (часто вставные или зажимные) соединения и быстродействующие уплотнения также упрощают процедуры технического обслуживания. Каналы для смазочного масла, охлаждающей воды, топлива и воздуха могут быть встроены в блок двигателя или другие отливки компонентов, оставляя минимальные видимые внешние трубопроводы. Компактные и более доступные установки достигаются за счет интеграции вспомогательного вспомогательного оборудования (такого как насосы, фильтры, охладители и термостаты) в двигатель. Снижение производственных затрат также достигается за счет усовершенствования конструкции и более широкого использования гибких производственных систем для производства компонентов.

Концепция блока цилиндров — это особенность современных четырехтактных конструкций, позволяющая снимать головку, поршень, гильзу и шатун вместе в виде полного узла для ремонта, капитального ремонта или замены отремонтированным блоком на борту или на берегу. Этот модульный подход принят большинством крупных производителей.

По мере того, как привлекательность двухтопливных двигателей возросла, модульный подход был сделан еще дальше: двигатели были разработаны для перехода с жидкого топлива на двухтопливную работу путем замены и добавления небольшого количества компонентов.В 2017 году компания MAN Energy Solutions переоборудовала дизельный двигатель MAN 8L48 / 60B на фидерном контейнеровозе Wes Amelie постройки 2011 года в многотопливный двигатель 8L51 / 60DF и одновременно установила систему газового топлива на СПГ.

До модернизации MAN 8L48 / 60B имел мощность 9000 кВт при 500 об / мин, работающую на мазуте. После преобразования установленная мощность составляет 7800 кВт при 514 об / мин. Потеря мощности была ожидаемой и считалась приемлемой, потому что судно ранее большую часть времени работало с малой нагрузкой.

Конверсия включала замену гильз цилиндров и области водяной рубашки, поршня, поршневых колец и головок цилиндров. Это произошло из-за увеличения диаметра цилиндра с 48 до 51 см. Кроме того, все компоненты впрыска были заменены или добавлены заново. Пилотная масляная система, которая требуется для использования газа, была новым дополнением. Чтобы реализовать новые тайминги двигателя 51 / 60DF, были установлены новые кулачки, а также новые компоненты турбокомпрессора. Управление двухтопливным двигателем 51 / 60DF является более сложным по сравнению с двигателем, работающим на тяжелом топливе, что означает, что датчики двигателя были либо переделаны, либо потребовалось переоборудование.

В новых типах двигателей от разных поставщиков больше внимания уделяется возможности модернизации, а компоненты упрощаются. Это должно сделать будущие преобразования намного менее масштабными.

Компактность и уменьшенный вес остаются ключевыми достоинствами среднеоборотного двигателя, предлагая конструкторам судов возможность увеличить грузоподъемность и снизить стоимость данного проекта нового строительства, а также возможность достичь наиболее эффективной скорости гребного винта с помощью понижающей передачи. .Производители среднеоборотных двигателей могут предложить самые разные решения — от одномоторных установок для небольших грузовых судов до многомоторных / двухвинтовых установок для самых мощных пассажирских судов, основанных на механической (редукторной) или электрической трансмиссии. Конфигурации с несколькими двигателями обеспечивают доступность оборудования и операционную гибкость, позволяя количеству первичных двигателей, задействованных в любое время, соответствовать графику обслуживания. Удобный прямой привод генераторов и другого вспомогательного оборудования в машинном отделении (например,гидроагрегаты) также упрощается за счет коробки отбора мощности.

Углеродно-режущее кольцо теперь является общей характеристикой среднеоборотных двигателей, предназначенных для устранения явления полировки цилиндров, вызванного углеродными отложениями, и, следовательно, для значительного снижения износа гильзы. Это также способствует более чистой площади поршневых колец, низкому и очень стабильному расходу смазочного масла и уменьшению прорыва.

Углеродно-режущее кольцо, также называемое антиполированным или огнестойким кольцом, содержит вставку гильзы, которая находится между точкой поворота верхнего поршневого кольца и верхней частью гильзы цилиндра.Он имеет немного меньший диаметр, чем отверстие гильзы, это уменьшение компенсируется уменьшенным диаметром верхней контактной площадки поршня. Основное действие кольца — предотвращение накопления нагара по краям днища поршня, который вызывает полировку и износ гильзы с соответствующим повышением расхода смазочного масла.

Вторичная функция — это внезапное сжимающее воздействие на кольцевой ремень, поскольку поршень и угольное режущее кольцо мгновенно соприкасаются. Смазочное масло, следовательно, вытесняется из зоны горения, снова помогая снизить расход: фактически, настолько эффективно, что компания Bergen Diesel сочла необходимым изменить конструкцию кольцевого уплотнения, чтобы обеспечить требуемый расход масла.Норвежский конструктор двигателей сообщает, что расход смазочного масла снижен более чем наполовину, а нерастворимые отложения в масле резко уменьшены, что значительно продлевает срок службы масляного фильтра. Углеродистые режущие кольца можно дооснастить, чтобы обеспечить их преимущества для двигателей, находящихся в эксплуатации. Удаление до извлечения поршня просто выполняется с помощью специального инструмента.

Конструкторы теперь также отдают предпочтение расположению «горячего ящика» для системы впрыска топлива, чтобы обеспечить более чистые линии двигателя и улучшить рабочую среду в машинном отделении благодаря пониженным температурам; Кроме того, внутри коробки сохраняется любая утечка топлива из компонентов системы впрыска.

Влияние условий эксплуатации двигателя и состава бензина на преждевременное зажигание на низких оборотах в высокоэффективных бензиновых двигателях с искровым зажиганием

Уменьшение габаритов является важной концепцией снижения расхода топлива, а также выбросов двигателей с искровым зажиганием. Объем двигателя уменьшен, чтобы сместить рабочие точки с более низкой частичной нагрузки в области рабочей карты с более высокой эффективностью и, следовательно, более низким удельным расходом топлива [ 1 ]. Поскольку максимальная мощность при работе с полной нагрузкой уменьшается из-за уменьшения рабочего объема, двигатели подвергаются форсированию (турбонаддув или наддув), что приводит к более высокой удельной нагрузке двигателей.Следовательно, новое явление сгорания наблюдается при высоких нагрузках и низких оборотах двигателя и упоминается как низкоскоростное предварительное зажигание или LSPI. В циклах с LSPI топливно-воздушная смесь воспламеняется до возникновения искры, что приводит к тому, что начальное распространение пламени быстро переходит в тяжелую детонацию двигателя. Очень высокая скорость повышения давления и пиковое давление в цилиндре могут превысить расчетные пределы давления, что, в свою очередь, может привести к ухудшению характеристик двигателя. Из-за этого потенциала LSPI считается ключевым фактором для дальнейшего уменьшения габаритов и повышения эффективности двигателя.Хотя существуют некоторые контрмеры, которые OEM-производители могут использовать, чтобы избежать LSPI, такие как ограничение нагрузки, необходимы дальнейшие исследования, чтобы сформулировать более эффективные контрмеры.

В попытке лучше понять причины и возможные методы смягчения последствий для LSPI, были исследованы несколько факторов управления двигателем и рабочих условий в отношении их влияния на LSPI. Было признано, что двумя доминирующими факторами, влияющими на частоту возникновения LSPI, являются нагрузка двигателя, определяемая скоростью подачи топлива (поток энергии) и воздушно-топливным соотношением в цилиндрах.При поддержании постоянной скорости подачи топлива (не BMEP или крутящего момента) все другие факторы, такие как время зажигания, MAT, температура охлаждающей жидкости и т. Д., Играли лишь незначительную, но не обязательно исключающую роль в их влиянии на активность LSPI.

На основе измерений соотношения воздух / топливо в выхлопных газах и отверстии для выхлопных газов также было установлено, что с LSPI были связаны всплеск выбросов углеводородов и значительное увеличение лямбда (обогащение отношения воздух / топливо). Кроме того, при инициировании события сгорания, подобного LSPI, с использованием большого опережения искры в течение короткого времени, выбросы углеводородов и лямбда выхлопного порта были значительно ниже, чем во время «истинных» событий LSPI.Был сделан вывод, что со временем в камере сгорания происходит накопление углеводородов. Эти дополнительные HC потребляются во время событий LSPI. В сочетании с результатами других исследователей в этой области [ 8 , 2 , 5 , 6 ], можно было бы сделать вывод, что основной причиной LSPI является накопление углеводородов на основе смазочного материала и / или топлива в объеме щелей верхнего поршня.

Чтобы исследовать источник LSPI с точки зрения топлива, четыре топливных смеси бензина с аналогичными свойствами, такими как октановое число, распределение точки кипения и RVP, но существенно разный состав, были испытаны на предмет их влияния на LSPI в современном турбокомпрессоре. Бензиновый двигатель DI.В результате этого исследования было установлено, что химический состав топлива сильно влияет на вероятность и величину LSPI. Топливные смеси с высоким содержанием ароматических углеводородов в некоторой степени увеличивают частоту возникновения LSPI, тогда как кислородсодержащие топлива и особенно смеси с низким содержанием ароматических углеводородов снижают частоту LSPI. Также стало известно, что, несмотря на очень похожие значения RON и MON, характеристики детонации и самовоспламенения тестовых топлив в двигателе DISI были разными. В частности, топливные смеси с низким содержанием ароматических углеводородов показали повышенную тенденцию к самовоспламенению и детонации (традиционный детонация двигателя SI или детонация конечного газа), характеризующуюся наличием режима низкотемпературного тепловыделения перед основной фазой сгорания.

Влияние времени работы впускного клапана и частоты вращения двигателя на сгорание двухтопливного газового дизеля в двигателе с большим диаметром цилиндра на JSTOR

Было исследовано двухтопливное сжигание смеси предварительно смешанного природного газа и воздуха при высокой нагрузке (18 бар IMEP) с помощью прямого впрыска дизельного топлива в газовом двигателе большого диаметра. Конструкция форсунки с низким расходом была установлена ​​для впрыска небольшого объема дизельного топлива (10,4 мм³), энергетическое количество которого составляет около двух процентов. Влияние температуры конца сжатия на воспламенение и сгорание было исследовано с использованием таймингов клапана с ранней IVC (Miller) и максимальной эффективностью зарядки (MaxCC).Кроме того, частота вращения двигателя была снижена (с 1500 до 1000 об / мин) для фаз газораспределения Миллера, чтобы проанализировать влияние химической шкалы времени на процесс сгорания. Во время всех экспериментов плотность заряда цилиндра поддерживалась постоянной, регулируя давление на впуске и результирующий массовый расход воздуха. В отличие от типичного процесса сгорания с воспламенением от сжатия (RCCI) с управляемым реактивным зажиганием, фазировка сгорания исследуемого сгорания природного газа с пилотным зажиганием также была чувствительна к моменту впрыска, помимо соотношения воздух-топливо (AFER).Вследствие более низкой конечной температуры сжатия с фазами газораспределения Миллера рабочий диапазон AFER был смещен до значительно более низких значений (λ = 1,53–1,63) по сравнению с MaxCC (λ = 1,88–2,08), и детонационное горение больше не наблюдалось. . Кроме того, взаимно однозначное соотношение между массовой долей сгоревших 50% (MFB50%) как функцией начала подачи питания (SoE) при постоянном соотношении воздушно-топливного эквивалента больше не действовало. Эксперименты с синхронизацией клапана MaxCC показали, что такое поведение не обязательно является характеристикой пилотного зажигания.Фактически, условия, препятствующие воспламенению и детонации двигателя, приводят к потере взаимно однозначной связи между SoE и MFB50%. Уменьшение частоты вращения двигателя увеличило предел пропусков зажигания на обедненной смеси (λ = 1,53–1,75) и улучшило характеристики запуска двигателя.

Международный журнал двигателей внутреннего сгорания (SAE International Journal of Engines) — это научный рецензируемый исследовательский журнал, посвященный науке и технике по двигателям внутреннего сгорания. Журнал освещает инновационные и архивные технические отчеты по всем аспектам разработки двигателей внутреннего сгорания, включая исследования, проектирование, анализ, контроль и выбросы.Стремясь стать всемирно признанным исчерпывающим источником для исследователей и инженеров в области исследований и разработок двигателей, журнал публикует только те технические отчеты, которые считаются имеющими значительное и долгосрочное влияние на разработку и конструкцию двигателей.

SAE International — это глобальная ассоциация, объединяющая более 128 000 инженеров и технических экспертов в аэрокосмической, автомобильной и коммерческой промышленности.Основные направления деятельности SAE International — обучение на протяжении всей жизни и разработка добровольных согласованных стандартов. Благотворительным подразделением SAE International является SAE Foundation, который поддерживает множество программ, включая A World In Motion® и Collegiate Design Series.

Поломка оборудования из-за превышения скорости

Превышение скорости двигателя может привести к дорогостоящим повреждениям.

Повреждения
Время от времени Gard Marine получает сообщения о поломках оборудования из-за превышения скорости основного или вспомогательных двигателей.Превышение скорости — это любая скорость, выходящая за пределы рабочего диапазона, указанного производителем двигателя. Очень часто превышение скорости приводит к серьезным повреждениям не только самого двигателя, но и генераторов и шестерен.

Существует несколько причин превышения скорости, но наиболее распространенной является неисправность регулятора или топливных насосов.

Поскольку превышение скорости двигателя может привести к повреждению коленчатого вала (деформация толкающих стержней), поломке седел клапанов, дефектным распределительным валам, поломке турбонагнетателя и поломке генератора и шестерни, последствия могут оказаться дорогостоящими.

Устранение повреждений, вызванных превышением скорости, может привести к полному демонтажу и контролю всех жизненно важных частей двигателя, что отнимает много времени и является дорогостоящим.

Защита от превышения скорости для механизмов должна быть проверена в соответствии с руководством по эксплуатации двигателя или системой технического обслуживания судна. На вспомогательных двигателях это можно регулярно проверять без особых усилий, но главные двигатели обычно должны останавливаться во время морских путешествий, что может быть непрактично и неэкономично. Иногда это может привести к решению отложить запланированные тесты и / или техническое обслуживание.

Рекомендация
Поломки из-за превышения скорости обычно дорого обходятся всем участникам.Необходимо соблюдать график технического обслуживания жизненно важных частей, таких как регуляторы скорости, топливные насосы, а также электрические и механические устройства защиты от превышения скорости.

Что такое скорость поршня в высокопроизводительных двигателях

Скорость поршня обычно относится к средней или средней скорости поршня, когда он перемещается вверх и вниз в отверстии цилиндра во время каждого оборота коленчатого вала. Поскольку поршень фактически полностью останавливается в верхней части хода (ВМТ) и в нижней части хода (НМТ), его скорость и ускорение в любой заданной точке всегда меняются.Поршень всегда ускоряется или замедляется до нулевой скорости. Формула для средней скорости поршня дает среднюю скорость, основанную на удвоенном ходе (вверх и вниз за один оборот), умноженном на скорость двигателя (об / мин), деленную на 12 для преобразования в футы в минуту (fpm). Чтобы упростить формулу, разделите числитель и знаменатель на 2.

Этот технический совет взят из полной книги PERFORMANCE AUTOMOTIVE ENGINE MATH. Подробное руководство по этой теме вы можете найти по этой ссылке:

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ ОБ ЭТОЙ КНИГЕ ЗДЕСЬ

ПОДЕЛИТЬСЯ СТАТЬЕЙ: Пожалуйста, не стесняйтесь делиться этой статьей на Facebook, на форумах или в любых клубах, в которых вы участвуете.Вы можете скопировать и вставить эту ссылку, чтобы поделиться: https://musclecardiy.com/performance/understanding-piston-speed-in-high-performance-engines/

Поршни бывают всех форм, размеров и сплавов. Расчет скорости поршня для любого конкретного применения имеет важное значение для безопасной работы двигателя.

Скорость поршня, фут / мин = 3 x 6000 ÷ 6 = 3000 фут / мин. Обратите внимание, что если вы не упростили формулу, ответ все равно останется прежним.Это расстояние, которое поршень проходит за одну минуту. Чтобы преобразовать ответ в миль в час, умножьте ответ на 60, чтобы получить количество футов в час.

Затем разделите на 5280, чтобы получить миль в час.
миль / ч = (средняя скорость x 60) ÷ футов на милю
миль / ч = (3000 x 60) ÷ 5280 = 34,09 миль / час

Вы можете получить очень близкое приближение к максимальной скорости поршня (игнорируя межцентровую длину штока и угол наклона штока) по следующей формуле. Умножьте ход на пи и разделите на 12, чтобы получить футы на оборот.Затем умножьте на максимальную скорость двигателя, чтобы получить максимальное количество футов в минуту. Эта скорость возникает примерно в середине хода, когда шатун находится под углом девяноста градусов к шатунной шейке. До этого момента поршень ускоряется; после этого поршень замедляется. Когда поршень находится точно в верхней или нижней мертвой точке, он останавливается и ускорение отсутствует. Используя формулу для средней скорости поршня, мы рассчитали 3000 футов в минуту или 34,09 миль в час для нашего Ford 302. Теперь давайте найдем максимальную скорость поршня при 6000 об / мин.

Максимальная скорость поршня = MPS
MPSfpm = (ход x π ÷ 12) x RPM
MPSfpm = (3,00 x 3,14 ÷ 12) x 6000 MPSfpm = (9,42 ÷ 12) x 6000 = 0,785 x 6000 = 4710 фут / мин
или
MPSfpm x 60 ÷ 5280 = MPH
4710 x 60 ÷ 5280 = 53,52 миль / ч

Стандартный литой поршень на 350 оборотах Chevy до 6000 об / мин. Это 3480 кадров в минуту, так что общепринятый предел в 3500 кадров в минуту довольно безопасен. Начните увеличивать обороты этих литых поршней до 7000 об / мин, и вы быстро снесете с них юбки.

выдерживают жестокое обращение, поэтому вы добиваетесь примерно 5 500 футов в минуту и ​​более, особенно при коротких скачках, таких как дрэг-рейсинг.

Hypereutectic имеют более высокое содержание кремния и примерно на треть прочнее обычных литых поршней. Они используются во многих сериях для спортсменов, но не рекомендуются для длительного использования выше 6000 об / мин.

На схеме номенклатуры поршней показаны все важные характеристики и размеры поршня. Обратите внимание, в частности, на высоту поршневого пальца или высоту сжатия, которая изменяется в зависимости от длины шатуна.

Средняя скорость поршня долгое время использовалась как показатель долговечности компонентов в тяжелых условиях эксплуатации. Это хорошее правило для оценки потенциала двигателя, и еще более поучительно, если вы рассчитываете максимальную скорость поршня, поскольку одна из аксиом характеристик двигателя гласит, что мощность зависит от частоты вращения двигателя. Чем больше ударов в минуту, тем больше мощности доступно для работы.

Рассмотрим двигатель Ferrari Formula 1 2000 года с ходом 1,6 дюйма. При 18000 об / мин это средняя скорость поршня 4800 футов в минуту и ​​пиковая скорость более 7536 футов в минуту, или более 85 миль в час на среднем ходе.Потенциальная катастрофа для Chevy с большим корпусом, но двигатель Формулы 1 пользуется роскошью из очень экзотических материалов и очень маленьких поршней, которые имеют гораздо меньшую массу для ускорения.

Наиболее важным фактором является мгновенное ускорение поршня и колеблющиеся нагрузки, прикладываемые к поршню, поршневому пальцу, шатунам и болтам шатуна. Это наиболее нагруженные компоненты двигателя. Поскольку способность двигателя создавать мощность тесно связана с частотой вращения, которую он может вращать, прилагаются все усилия, чтобы облегчить компоненты клапанного механизма, чтобы избежать смещения клапана.Но настоящим пределом оказывается масса поршня и его ускорение. Типичный поршень 350 Chevy весит от 1,3 до 1,6 фунтов. Специальные гоночные поршни весят меньше фунта, но представьте, что вы пытаетесь разогнаться до максимальной скорости поршня 6800 футов в минуту (350 Chevy при 7500 об / мин) на середине хода, а затем резко его резко остановить и повернуть назад примерно на 13⁄4 дюймы (ход / 2). В ВМТ поршень направляется к Луне, и шток должен его остановить и выдернуть назад в обратном направлении. Этого достаточно, чтобы вытащить поршневой палец прямо из поршня, и иногда это происходит.Он также оказывает аналогичные нагрузки на болты и крышки штоков. Поскольку ускорение (нагрузка) является наибольшим сразу после ВМТ, давайте рассчитаем максимальное ускорение поршня 350 Chevy при 7500 об / мин, используя ход штока 3,48 дюйма и длину штока 5,7 дюйма. Формула:

Макс.ускорение = (об / мин2 x ход ÷ 2189) x 11⁄3
или
MA = (7,5002 x 3,48) ÷ 2,189 x 11⁄3 = 195,750,000 ÷ 2,189 x 11⁄3 = 89,424,39 x 1,3333333 = 119,232,5 фут / сек2

Это безумное ускорение для 1.5-фунтовый объект, не являющийся пушечным снарядом. И поскольку они захватываются кольцевыми канавками, поршневые кольца всегда готовы к работе; хлопая вверх и вниз в кольцевых канавках, отчаянно пытаясь сохранить уплотнение со стенкой цилиндра. Стоит ли удивляться, что они испытывают дрожание колец на очень высоких оборотах двигателя? Отсюда практика использования максимально узких кольцевых канавок без задиров, а также самых тонких и легких колец с минимальной инерцией. Попробуйте применить эту формулу на ранее упомянутом двигателе Формулы 1, и вы обнаружите, что мгновенное ускорение намного превышает обычно принятый предел в 150 000 фут / сек2.Как они это делают? Поршни меняют направление более 150 раз в секунду. Кажется, что это выходит далеко за рамки физических ограничений задействованных компонентов, но в Формуле 1 используются очень легкие и очень прочные экзотические материалы.

Захватывающий материал, но несколько выходящий за рамки большинства наших типичных приложений, поэтому нам лучше рассчитать некоторые реальные скорости поршня и научиться изменять формулу для расчета пределов числа оборотов в минуту на основе произвольной скорости поршня, которую мы не хотим превышать.Рассмотрим следующие примеры при расчете средней скорости поршня, расчет, который вы будете использовать чаще всего.

Chevy 302-ci с ходом 3 дюйма при 7000 об / мин
Скорость поршня = 3 x 7000 ÷ 6 = 21000 ÷ 6 = 3500 фут / мин

Общепринятый предел для приложений, не связанных с гонками, составляет от 3500 до 4000 футов в минуту, так что 302 вполне устраивает на скорости 3000 футов в минуту, особенно с учетом того, что они были оснащены коваными поршнями.

Chevy 350-ci с ходом поршня 3,48 дюйма при 7000 об / мин. Скорость поршня = 3.75 x 7000 ÷ 6 = 26 250 ÷ 6 = 4375 футов в минуту

Скорость поршня увеличивается с об / мин, но учтите, что для фиксированного об / мин скорость поршня всегда увеличивается с ходом. Это одна из причин, почему двигатели с высокими оборотами обычно имеют более короткий ход. 350 будет нервно набирать обороты более 8000 об / мин, в то время как 302 будет довольно радостно гудеть, при условии, что клапанный механизм может не отставать.

Предположим, у вас есть Chevy 427 большого блока с большими тяжелыми поршнями, тяжелым поршневым пальцем и стандартным пакетом колец.Вы хотите определить безопасный предел оборотов, который не будет превышать конструктивные ограничения ваших стандартных поршней и шатунов. Просто измените формулу для вычисления числа оборотов в минуту.

об / мин = (желаемая скорость поршня x 6) ÷ ход
Модель 427 имеет ход 3,76 дюйма, и мы хотим установить произвольную скорость поршня 3800 футов в минуту.

Чтобы соответствовать произвольному пределу скорости поршня, вы должны установить предел оборотов на 6 100 об / мин. Теперь, разве большинство людей ревнует 427 Chevy выше этого? Конечно, но если вы хотите установить предел, вы рассчитываете его именно так.Большинство двигателей оснащены современными компонентами. В качестве другого примера рассмотрим двигатель NASCAR. Предел смещения составляет 358 кубических сантиметров, и производители ограничены максимальным размером отверстия в 4,185 дюйма. Мы знаем, что они используют разные конфигурации для разных гусениц, но давайте предположим, что они имеют большой диаметр ствола 4,185 для максимальной способности дышать. По формуле нахождения инсульта вычисляем:

Ход = [358 ÷ (4,1852 x 0,7854 x 8)] = 3,25 дюйма
Итак, какова средняя скорость поршня двигателя Cup при 9 200 об / мин в конце прямого хода назад?
Скорость поршня = (3.25 x 9200) ÷ 6 = 4 983 фут / мин

Конечно, у них есть современные легкие компоненты, но теперь, когда вы знаете их пределы для гонки на 500 миль, вы можете соответствующим образом скорректировать свое мышление. И разве не интересно, что двигатель Формулы 1 и двигатель NASCAR имеют примерно одинаковую мощность. Двигатель Формулы 1 в два раза меньше двигателя NASCAR, и для этого ему нужно набирать обороты в два раза быстрее. Также обратите внимание, что двигатель Формулы 1 на самом деле имеет меньшую среднюю скорость поршня, чем двигатель Sprint Cup NASCAR.Если вы думаете об этих отношениях, вы не можете не удивиться тому, что они физически возможны. А вы думали, что наука в старшей школе скучна.

Балансировку двигателя часто называют «черным искусством», практикуемым мастерами механического цеха, но это не так уж и загадочно. Тысячи высококвалифицированных моторных мастерских делают это каждый день и редко испытывают проблемы с двигателем, связанные с балансировкой. Балансировка стала еще более точной благодаря современному оборудованию с компьютерным управлением.Балансировка компонентов в пределах 2 граммов раньше была обычным делом в кругах профессионалов, но теперь это не так. Большинство производителей двигателей с высокими рабочими характеристиками теперь балансируют с точностью до 1/2 грамма или меньше для максимальной точности и плавности работы двигателя. Так что это значит? В современных двигателях с высокими рабочими характеристиками все легче и потенциально более хрупко, особенно на высоких скоростях. Малейший дисбаланс может вызвать трещины на коленчатых валах, выбить подшипники и юбки поршней, а также вызвать другие виды механических повреждений.

Трудность с балансировкой двигателя заключается в том, что одни детали вращаются, а другие поднимаются и опускаются. Чтобы заставить их делать это гармонично, требуется точная балансировка двигателя. Регулируемые грузы боба используются для имитации веса деталей во время балансировки. Вращающийся вес включает большой конец штока, болты штока и подшипники штока, а также небольшое количество (2–3 грамма) для имитации масла между шейками кривошипа и подшипниками.Возвратно-поступательный вес включает малый конец штока, поршень, поршневые пальцы, поршневые кольца и фиксаторы, если они используются, а также несколько граммов масла, которое прилипает к движущимся частям. После того, как веса всех компонентов уравновешены, рассчитываются веса бобов. Нормальный вес боба составляет 100 процентов от веса вращения и 50 процентов от веса возвратно-поступательного движения. Коленчатый вал имеет электронную балансировку с прикрепленными грузами, и нормальная балансировка легко достигается.

Двигатели с высокими оборотами часто подвергаются перебалансировке для улучшения баланса на высоких скоростях с меньшим вниманием к плавности хода на низких оборотах.Цель состоит в том, чтобы еще больше сгладить состояние баланса двигателя в предполагаемом рабочем диапазоне. Хитрость заключается в том, чтобы сбалансировать сборку так, чтобы любой критический дисбаланс выходил за пределы этого диапазона (выше или ниже его). Для этого вес боба корректируется по расчетной норме. Вместо того, чтобы добавлять 50 процентов возвратно-поступательного веса, процент часто увеличивается до 52–54 процентов. Если что-то из этого действительно является «черным искусством», то это может быть фактическое определение оптимального процента дисбаланса.Многие строители знают это по опыту, но новые комбинации часто требуют хорошо обоснованного предположения. Лучший подход — это попытка ошибиться в сторону консерваторов, скажем, от 51 до 52 процентов. Если максимальная производительность и плавность двигателя улучшатся в пределах его основного рабочего диапазона, они могут немного перебалансировать его на следующем этапе.

Межцентровое расстояние шатуна — это основной компонент при расчете положения поршня. Длина стержня — это фиксированный размер от средней линии большого конца стержня до средней линии конца штифта.

Нормальная балансировка = 100% вращающегося веса плюс 50% возвратно-поступательного веса

Процент перевеса может вызвать резкие вибрации за пределами нормального рабочего диапазона двигателя, но это не вызывает беспокойства, поскольку вы не запускаете его здесь какое-либо время. Обратите внимание, что перебалансировка — это практика соревнований с двигателем, а не то, что вы обычно делаете с уличным или уличным / полосным двигателем, который должен работать в более широком диапазоне оборотов. Для гоночных двигателей он может сэкономить детали и улучшить характеристики за счет снижения вибраций, которые могут быть вредными для кольцевого уплотнения, динамики клапанного механизма и других факторов, влияющих на мощность в определенном диапазоне мощности.Это всего лишь еще одна уловка в сумке производителя мощных двигателей.

Для точного выбора распределительного вала важно знать положение поршня, при котором в цилиндре создается максимальный перепад давления. Если вы вспомните нашу основную миссию по максимальному увеличению VE, легко понять критическую взаимосвязь между углом поворота коленчатого вала и синхронизацией действия клапана относительно положения поршня. При заданной длине штока поршень в какой-то момент хода достигнет максимальной скорости.Эта точка (угол поворота коленчатого вала) изменяется в зависимости от длины штока, поскольку длина хода фиксирована. Возможно, вы слышали, что более длинный стержень дает больше энергии, но это не всегда так. Как правило, при изменении длины штанги пик мощности смещается ближе или дальше от максимального числа оборотов в минуту, в зависимости от изменения. При увеличении длины штанги пиковые значения мощности и крутящего момента сближаются, но пиковые значения могут существенно не измениться. Укорачивание стержня имеет тенденцию к дальнейшему разделению пиков, что может быть выгодным, а может и не быть полезным в зависимости от области применения.Более длинный шток заставляет поршень дольше задерживаться в районе ВМТ, и скорость ускорения и замедления уменьшается. В некоторой степени это дает немного больше времени для повышения давления сгорания перед рабочим тактом. Это полезно в приложениях с высокими оборотами, когда время сгорания ограничено. В главе 14 обратите внимание, что компьютерные программы моделирования двигателя уделяют особое внимание зависимости длины штока от угла поворота коленчатого вала. Важно помнить об угле поворота коленчатого вала, при котором поршень достигает максимальной скорости и максимального падения давления в цилиндре.Открытие впускного клапана в этот момент должно быть достаточным для увеличения потока. Моделирование поможет вам вычислить и визуализировать эту точку.

Тем, кто хочет рассчитать положение поршня в отверстии относительно угла поворота коленвала, имейте в виду, что точка максимальной скорости будет отличаться в зависимости от длины штока. Обычно эта точка возникает, когда центральная линия штока находится под углом 90 градусов к шатуну, но фактический угол поворота кривошипа будет изменяться в зависимости от длины штока. Используйте следующую формулу для расчета положения поршня относительно угла поворота коленчатого вала для любой данной комбинации хода и длины штока.

P = S (1 — Cos C) + (S x S) ÷ L (Sin2 of C)
Где:
S = длина хода
L = длина штока
P = положение поршня относительно поверхности деки
C = угол поворота коленчатого вала относительно центральной линии цилиндра
Cos C = косинус угла C
Sin2 = квадрат синуса угла C

Эта формула действительна для любого заданного значения угла C. В то время как более длинные стержни обычно предпочтительны для работы на высоких оборотах, когда время горения минимально, более короткие стержни имеют более высокие скорости ускорения и меньшее время пребывания в ВМТ.Более высокие скорости ускорения означают более быстрое воздействие на перепад давления в цилиндре, который имеет тенденцию разделять пики и способствовать большей эффективности при более низких оборотах двигателя. Разница часто незначительна, но сообразительные создатели движков используют эти инструменты для точного позиционирования желаемых пиков относительно конкретных приложений. Смещение пиков ближе друг к другу может обеспечить более эффективную мощность для суперскоростной трассы или двигателя Bonneville, в то время как разделение пиков может быть более полезным для двигателя кольцевой трассы или гоночного двигателя, где более желателен более широкий диапазон мощности.В любом случае математические расчеты часто помогают осветить путь.

Написано Джоном Бэктелом и опубликовано с разрешения CarTechBooks

ПОЛУЧИТЕ СДЕЛКУ НА ЭТУ КНИГУ!

Если вам понравилась эта статья, вам понравится вся книга. Нажмите кнопку ниже, и мы отправим вам эксклюзивное предложение на эту книгу.

, угла штока и увеличенного рабочего объема.

Внимательный взгляд на ход коленчатого вала и его влияние на среднюю скорость поршня, инерцию и контроль огромных разрушительных сил, действующих внутри двигателя.

Но что, если бы существовала другая динамика двигателя, которая могла бы дать строителям лучшее представление о долговечности поршневого узла?

«Вместо того, чтобы сосредотачиваться на средней скорости поршня, обратите внимание на влияние силы инерции на поршень», — предлагает Дэйв Фасснер, руководитель отдела исследований и разработок компании K1 Technologies.

Давайте сначала рассмотрим определение средней скорости поршня, также называемой средней скоростью поршня. Это эффективное расстояние, на которое поршень проходит за заданную единицу времени, и для сравнения оно обычно выражается в футах в минуту (фут / мин).Стандартное математическое уравнение довольно простое:

Средняя скорость поршня (фут / мин) = (ход x 2 x об / мин) / 12

Есть более простая формула, но о математике позже. Скорость поршня постоянно изменяется, когда он перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) и обратно в ВМТ за один оборот коленчатого вала. В ВМТ и НМТ скорость составляет 0 футов в минуту, и в какой-то момент во время хода вниз и вверх он будет ускоряться до максимальной скорости, а затем замедлится и вернется к 0 футов в минуту.

Существуют формулы для расчета скорости поршня при каждом градусе вращения коленчатого вала, но обычно это гораздо больше информации, чем требуется большинству производителей двигателей. Традиционно они смотрят на среднюю или среднюю скорость поршня во время вращения кривошипа и, возможно, вычисляют максимальную скорость поршня.

Средняя скорость поршня — это общее расстояние, которое поршень проходит за один полный оборот коленчатого вала, умноженное на число оборотов двигателя. Очевидно, что скорость поршня увеличивается с увеличением числа оборотов в минуту, и скорость поршня также увеличивается с увеличением хода. Давайте посмотрим на небольшой пример.

Чтобы просмотреть все предложения K1 Technologies по коленчатому валу, щелкните ЗДЕСЬ

Шевроле с большим блоком и коленчатым валом с ходом 4 000 дюймов, работающим при 6500 об / мин, имеет среднюю скорость поршня 4333 фут / мин.Давайте еще раз рассмотрим формулу, использованную для расчета этого результата. Умножьте ход на 2, а затем умножьте это число на число оборотов в минуту. Это даст вам общее количество дюймов, которое поршень прошел за одну минуту. В данном случае формула: 4 (ход) x 2 x 6500 (об / мин), что равно 52 000 дюймов. Чтобы прочитать это в футах в минуту, разделите на 12. Вот полная формула:

(4 x 2 x 6500) / 12 = 4333 фут / мин

Вы можете упростить формулу с помощью небольшого математического трюка. Разделите числитель и знаменатель в этом уравнении на 2, и вы получите тот же ответ.Другими словами, умножьте ход на число оборотов в минуту, затем разделите на 6.

(4 x 6500) / 6 = 4333 фут / мин

С помощью этой более простой формулы мы вычислим среднюю скорость поршня при увеличении хода до 4 500 дюймов.

(4,5 x 6500) / 6 = 4875 футов в минуту

Как видите, средняя скорость поршня увеличилась почти на 13 процентов, хотя число оборотов в минуту не изменилось.

Опять же, это средняя скорость поршня за весь ход. Чтобы рассчитать максимальную скорость, которую поршень достигает во время хода, требуется немного больше расчетов, а также длина шатуна и угол наклона штока в зависимости от положения коленчатого вала. Существуют онлайн-калькуляторы, которые вычисляют точную скорость поршня при любом заданном вращении коленчатого вала, но вот основная формула, которую часто используют производители двигателей, не требующей длины штока:

Максимальная скорость поршня (фут / мин) = ((Ход x π) / 12) x об / мин

Рассчитаем максимальную скорость поршня для нашего строкера BBC:

((4.5 x 3,1416) / 12) x 6500 = 7658 кадров в минуту

Преобразуя футы в минуту в мили в час (1 фут в минуту = 0,011364 мили в час), этот поршень разгоняется от 0 до 87 миль в час примерно за два дюйма, а затем и обратно до нуля в оставшемся пространстве цилиндра глубиной 4,5 дюйма. Теперь представьте, что поршень BBC весит около 1,3 фунта, и вы можете получить представление об огромных силах, приложенных к коленчатому валу, шатуну и пальцу запястья — вот почему Фусснер предлагает посмотреть на силу инерции.

«Инерция — это свойство материи, которое заставляет ее сопротивляться любому изменению в своем движении», — объясняет Фусснер.«Этот принцип физики особенно важен при разработке поршней для высокопроизводительных приложений».

Сила инерции является функцией массы, умноженной на ускорение, и величина этих сил увеличивается как квадрат скорости двигателя.Другими словами, если вы удвоите частоту вращения двигателя с 3000 до 6000 об / мин, силы, действующие на поршень, не увеличатся — они увеличатся в четыре раза.

«Как только поршень движется вверх по цилиндру, он пытается продолжить движение», — напоминает Фусснер. «Его движение останавливается и немедленно прекращается только под действием шатуна и импульса коленчатого вала».

Из-за угловатости штока, на которую влияет длина шатуна и ход двигателя, поршень не достигает своей максимальной скорости движения вверх или вниз примерно до 76 градусов до и после ВМТ с точными положениями, зависящими от длины штока до точки. коэффициент хода », — говорит Фусснер.

«Это означает, что поршень имеет угол поворота кривошипа примерно на 152 градуса для перехода от максимальной скорости к нулю и обратно к максимальной скорости в течение верхней половины хода. А затем примерно 208 градусов, чтобы проделать ту же последовательность во время нижней половины гребка.Следовательно, восходящая сила инерции больше, чем нисходящая сила инерции ».

Если не брать в расчет шатун, есть формула для расчета первичной силы инерции:

0,0000142 x вес поршня (фунты) x об / мин2 x ход (дюймы) = сила инерции

Вес поршня включает кольца, палец и фиксаторы. Давайте рассмотрим простой пример одноцилиндрового двигателя с ходом 3.000 дюймов (такой же, как у Small-Block 283ci и 302ci Chevy) и 1.Поршень в сборе на 000 фунтов (453,5 грамма) при 6000 об / мин:

0,0000142 x 1 x 6000 x 6000 x 3 = 1534 фунта

С помощью некоторых дополнительных вычислений, использующих длину и ход штока, можно получить поправочный коэффициент для повышения точности результатов силы инерции.

Радиус кривошипа ÷ Длина стержня

«Из-за воздействия шатуна сила, необходимая для остановки и повторного запуска поршня, максимальна в ВМТ», — говорит Фусснер. «Эффект шатуна заключается в увеличении первичной силы в ВМТ и уменьшении первичной силы в НМТ на этот коэффициент R / L.”

В этом примере радиус равен половине хода коленчатого вала (1,5 дюйма), деленной на длину штока 6 000 дюймов, что дает коэффициент 0,25 или 383 фунта (1,534 x 0,25 = 383). Этот коэффициент добавляется к исходной силе инерции для хода вверх и вычитается при движении вниз.

«Таким образом, действительная восходящая сила в ВМТ становится 1917 фунтов, а фактическая направленная вниз сила в НМТ — 1151 фунт», — говорит Фусснер. «Эти силы изменяются прямо пропорционально весу поршневого узла и длине хода штока, а также пропорционально квадрату частоты вращения двигателя. Следовательно, эти цифры можно рассматривать как базовые, чтобы легко оценить силы, создаваемые в двигателе любого другого размера ».

Кстати, средняя скорость поршня для этого 1-цилиндрового двигателя при 6000 об / мин составляет 3000 футов в минуту, а максимальная скорость поршня (с использованием нашей предыдущей формулы) составляет 4712 футов в минуту.

Что произойдет, если вы увеличите ход с 3.000 дюймов до 3.250 дюймов? Во-первых, средняя скорость поршня увеличивается до 3250 футов в минуту, а максимальная скорость поршня увеличивается до 5 105 футов в минуту. Затем основная сила увеличивается с 1534 фунтов до 1661 фунтов. Также есть изменение при добавлении нового коэффициента R / L 0,27 (1,625 ÷ 6.000). Фактическая восходящая сила в ВМТ становится 2 109 фунтов, а фактическая сила, направленная вниз в НМТ, становится 1213 фунтов.

«Если мы увеличим частоту вращения двигателя на 3.Ход от 250 дюймов до 7000 об / мин, при прочих равных условиях первичное усилие увеличивается до 2261 фунта », — говорит Фусснер. «Затем примените коэффициент R / L 0,27, и фактическая сила, направленная вниз, станет 1,651 фунта. Фактическая восходящая сила в ВМТ становится 2 871 фунт. Это почти полторы тонны! »

Теперь рассмотрим эффекты более легкого поршня. При сохранении хода 3,20 дюйма и 7000 об / мин, но при использовании поршня, который весит 340 граммов (0,750 фунта), максимальное усилие снижается с 2871 фунта до 2154 фунта, или на 717 фунтов меньшего усилия.Такая же более легкая конфигурация поршня будет иметь силу в 1238 фунтов, необходимую для остановки и перезапуска поршня при НМТ, что на 413 фунтов меньше.

«Таким образом, с каждым полным оборотом двигатель будет испытывать на 1130 фунтов меньше силы инерции с более легким поршневым узлом», — говорит Фусснер. «Это уменьшение силы инерции, конечно, будет применяться к каждому цилиндру в многоцилиндровом двигателе. Двигатель, работающий на 7000 об / мин, будет останавливаться и запускать каждый поршень 14000 раз в минуту ».

Средняя и максимальная частота вращения поршня по-прежнему являются ценными расчетами для любого производителя двигателей, который вносит изменения в проверенную формулу. Превышение средней скорости поршня 5000 футов в минуту должно привлечь ваше внимание и побудить к переосмыслению выбора деталей. Чрезмерная скорость поршня может привести к непостоянной смазке стенки цилиндра, а в некоторых ситуациях поршень действительно будет ускоряться быстрее, чем фронт пламени во время сгорания.В то время как первое может вызвать поломку деталей, второе приводит к потере мощности.

Поршни также должны быть максимально легкими без ущерба для необходимой прочности и долговечности. Силы инерции будут растягивать шатуны и сопротивляться ускорению коленчатого вала, что снова может привести к выходу из строя деталей и снижению мощности.

«Мы знаем, что обычная мера, используемая в течение многих лет для предположения, что зона опасности структурной целостности поршня в работающем двигателе — это средняя скорость поршня», — резюмирует Фусснер.«Как инструктор по прыжкам с парашютом сказал своему ученику, болит не скорость падения, а внезапная остановка. Так и с поршнями. Поэтому вместо того, чтобы сосредотачиваться только на средней скорости поршня, давайте решим также рассмотреть влияние силы инерции на поршень и то, что мы можем сделать, чтобы уменьшить эту силу. А если это невозможно, убедитесь, что компоненты достаточно прочны, чтобы выдержать поставленную нами задачу ».

«Хотя увеличение длины штока смягчит инерционную нагрузку за счет изменения вышеупомянутого отношения R / L, оно не снизит среднюю скорость поршня, потому что до тех пор, пока не будет изменен ход», — продолжает Фусснер.«Поршень должен пройти одинаковое расстояние за один оборот коленчатого вала, независимо от длины штока. Скорость — это расстояние, пройденное за единицу времени ».

Последнее замечание о скорости поршня — 2,500 футов в минуту считалось верхним пределом скорости поршня не так давно. Важно учитывать, что средняя скорость поршня также используется в качестве ориентира для рассмотрения других компонентов двигателя, таких как шатуны и коленчатые валы. На заре создания горячих родов у большинства двигателей были чугунные кривошипы и шатуны, а также литые алюминиевые поршни, которые не так прочны, как детали двигателей сегодня.

«Таким образом, увеличение прочности этих деталей позволило более чем вдвое увеличить безопасную среднюю скорость поршня до 5000 футов в минуту и ​​более», — говорит Фасснер. «Другой фактор — это использование. Будет ли двигатель работать в течение длительного времени с высокой скоростью поршня или для быстрого прохождения по тормозной полосе? Уменьшение времени выдержки при высоких скоростях поршня увеличивает надежность. Прочные и легкие компоненты смогут выдерживать более высокие скорости поршней, чем тяжелые компоненты с меньшей прочностью ».

Влияние условий эксплуатации на концентрацию загрязняющих веществ, выделяемых двигателем с искровым зажиганием, работающим на бензиновых смесях биоэтанола

Это исследование представляет собой экспериментальное исследование влияния смеси биоэтанола и бензина на выбросы в выхлопных газах с точки зрения диоксида углерода CO ₂ , монооксида углерода CO, несгоревшие углеводороды UHC и оксид азота NO _x двигателя с искровым зажиганием.Испытания проводятся при контролируемой дроссельной заслонке и регулируемой скорости в диапазоне от 1200 до 2000 об / мин с интервалами 400 об / мин. Для каждой скорости проверяются разные степени сжатия, а именно (7,8,10 и 11). Используются чистые бензиновые и бензиновые смеси на биоэтаноле. Используемый биоэтанол производится из иракской культуры фиников (Zehdi). Смешивание осуществляется на основе замены энергии. Коэффициент использования энергии этанола (EER) составляет 5%, 10% и 15%. На каждой из трех назначенных скоростей двигателя крутящий момент устанавливается равным 0, 3, 7, 10 и 14 Н · м.Установлено, что смешивание этанола снижает концентрацию CO и UHC в выхлопных газах примерно на 45% и 40,15%, соответственно, и увеличивает концентрации NO _x и CO ₂ в выхлопных газах примерно на 16,18% и 7,5%. , соответственно. Также обнаружено, что увеличение нагрузки и скорости вызывает увеличение концентраций CO ₂ и NO _x и снижает концентрации CO и UHC. Также обнаружено, что увеличение степени сжатия вызывает уменьшение выбросов CO ₂ и NO _x и увеличение выбросов CO и UHC.

1. Введение

В последние годы, учитывая резко возрастающий спрос на энергию, постоянно возрастает обеспокоенность общественности возможной нехваткой ресурсов ископаемого топлива, политикой энергетической безопасности и нормативными актами по загрязнению окружающей среды. Деградация глобальной окружающей среды и истощение мировых запасов ископаемого топлива в обозримом будущем стали движущей силой поиска альтернативных видов топлива, которые были бы устойчивыми и безвредными для окружающей среды. Топливный этанол является одним из возобновляемых видов топлива для решения этих проблем.Потенциал этанольного топлива в улучшении характеристик двигателей внутреннего сгорания в последнее время является предметом многих исследований [1, 2]. В 2005 году Целевая группа правительства Австралии по биотопливу сообщила, что воздействие этанола в качестве биотоплива на окружающую среду и здоровье человека является серьезной проблемой, требующей решения, чтобы направлять меры национальной политики, направленные на сокращение выбросов парниковых газов. Из-за превосходной смешиваемости биоэтанола с обычным бензином его можно использовать в качестве добавки для частичной замены бензина в качестве автомобильного топлива [3].Такие смеси обычно называют по количеству или процентному содержанию этанола, содержащегося в смешанном топливе [3].

Биоэтанол — это возобновляемое, биоразлагаемое и экологически безопасное альтернативное топливо, поскольку его можно производить из сельскохозяйственных продуктов и отходов. На сеть автомобильного транспорта, использующую обычное топливо, приходится 23% от общего количества парниковых газов. Эти выбросы можно уменьшить за счет использования топлива на биоэтаноле. Благодаря этим преимуществам, смеси биоэтанола и этанола с бензином широко исследуются и используются в качестве альтернативного топлива в автомобилях [4–6].Влияние добавления этанола к бензину на характеристики двигателя и выбросы выхлопных газов было исследовано экспериментально и теоретически. Было обнаружено, что добавление этанола к бензину привело к более бедной работе и улучшило процесс сгорания. Потенциал этанольного топлива в снижении выбросов загрязняющих веществ двигателей внутреннего сгорания широко исследовался. Liao et al., 2005, [7] провели экспериментальное исследование в закрытой камере сгорания для изучения характеристик сгорания и выбросов загрязняющих веществ смесей этанол-бензин при низкой температуре, что связано с холодным запуском двигателей, работающих на этаноле-бензине. бензин.Выбросы выхлопных газов были специально измерены в виде несгоревших углеводородов UHC, CO и NO _x . Было подтверждено, что выбросы UHC во время обогащенного горения при относительно низкой температуре увеличиваются с увеличением добавления этанола.

Наджафи и др. 2009 [8] экспериментально проанализировал выбросы загрязняющих веществ четырехтактным двигателем SI, работающим со смесями этанола и бензина 0%, 5%, 10%, 15% и 20% теоретически с помощью искусственной нейронной сети (ИНС).Концентрация выбросов CO и UHC в выхлопной трубе снижалась при увеличении количества этанольных смесей. Это было связано с высоким процентным содержанием кислорода в этаноле. Напротив, было обнаружено, что концентрации CO ₂ и NO _x увеличиваются при введении этанола. Юсаф и др. 2009 [9] оценили использование биоэтанола из картофельных отходов в качестве альтернативного топлива для бензиновых двигателей. Выбросы загрязняющих веществ четырехтактным двигателем SI, работающим на смесях этанола и бензина, исследованы экспериментально и теоретически.Эксперименты проводились со смесями, содержащими 5%, 10%, 15% и 20% по объему этанола. Выбросы выхлопных газов были измерены и проанализированы на UHC, CO ₂ , CO, O ₂ и NO _x при частоте вращения двигателя от 1000 до 5000 об / мин. При введении этанола концентрации выбросов CO и UHC в выхлопной трубе были уменьшены, а концентрации CO ₂ и NO _x были увеличены. Сравнивались результаты теоретических и экспериментальных исследований.Результаты моделирования были проверены на основе данных экспериментов, и было замечено хорошее согласие между тенденциями в прогнозируемых и измеренных результатах. Seshaiah, 2010, [10] провел испытания искрового зажигания с переменной степенью сжатия, предназначенного для работы на чистом бензине, сжиженном нефтяном газе (изобутен) и бензине, смешанном с этанолом 10%, 15%, 25% и 35% по объему. Кроме того, бензин был смешан с керосином в количестве 15%, 25% и 35% по объему без каких-либо доработок двигателя. Выбросы CO и CO ₂ также сравнивались для всех испытанных видов топлива.Было отмечено, что сжиженный нефтяной газ является многообещающим топливом при всех нагрузках, поскольку он производит меньшие выбросы окиси углерода по сравнению с другими испытанными видами топлива. Этанол использовался в качестве топливной добавки к минеральному бензину; (до 30% по объему) без модификации двигателя и без потери эффективности. Ozsezen и Canakci, 2011 [11] изучали выбросы выхлопных газов транспортных средств, работающих на смесях с низким содержанием спирта (этанол и метанол) и чистом бензине. Испытания автомобиля проводились при полностью открытой дроссельной заслонке с использованием вихретокового динамометра на шасси со скоростью автомобиля 40, 60, 80 и 100 км / ч.Результаты испытаний, полученные с использованием бензиновых смесей, содержащих 5% и 10% спирта по объему, сравнивались с результатами для чистого бензина.

В целом бензиновые смеси на спирте обеспечивают более высокую эффективность сгорания по сравнению с чистым бензином. В результатах по выбросам выхлопных газов не наблюдалось стабильной тенденции, особенно по выбросам CO, но, в среднем, бензиновые смеси со спиртом показали снижение выбросов UHC. В испытании скорости транспортного средства 100 км / ч спиртовые бензиновые смеси обеспечили более низкие значения выбросов NO _x по сравнению с чистым бензином.На всех скоростях автомобиля минимальный выброс CO ₂ был получен при добавлении 5% метанола в бензин. Sales and Sodré, 2012, [12] представили уровни выбросов выхлопных газов двигателя с гибким топливом с нагретым всасываемым воздухом и топливом во время холодного запуска. Электрические сопротивления обеспечивали подогрев всасываемого воздуха и топлива. Выбросы выхлопных газов двигателя, оснащенного нагретым всасываемым воздухом и форсункой этанола, сравнивались с уровнями, полученными при использовании обычной системы холодного запуска, в которой бензин используется в качестве вспомогательного топлива.Использование нагретого воздуха и этанола вместо традиционной системы, которая вводит бензин во впускную трубу, чтобы помочь холодному запуску гибкого топливного двигателя, работающего на водном этаноле (этанол с массовой долей воды 6,8%), привело к значительному снижению выбросов сырых выхлопных газов. Выбросы UHC и CO, особенно в первые 150 с. Необработанный выхлоп NO _x Выбросы немного снизились через 200 с после холодного пуска. Ян и др. 2012 [13] изучал влияние бензина, содержащего этанол, на выбросы регулируемых загрязнителей воздуха и карбонилов мотоциклами.Кроме того, испытания на долговечность были проведены на двух совершенно новых мотоциклах одной и той же модели с использованием E3 в одном и E0 в другом, чтобы оценить влияние использования E3 на выбросы мотоциклов. Результаты показывают, что средние коэффициенты выбросов CO и UHC снизились на 20% и 5,27%, соответственно, при использовании топлива E3. Однако выбросы NO _x и CO ₂ увеличились на 5,22% и 2,57% соответственно.

2. Экспериментальная установка и методика

Целью работы является изучение влияния смешения биоэтанола на концентрацию загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателя с искровым зажиганием.Смешивание биоэтанола осуществляется на основе замещения энергии. Необходимо проверить различные соотношения компонентов смеси. Никаких модификаций двигателя не производилось. Испытательный двигатель, приборы и экспериментальная программа кратко описаны в следующих разделах.

2.1. Испытательный двигатель и приборы

Эксперименты проводятся на исследовательском двигателе, который представляет собой одноцилиндровый, двухтопливный (бензин / дизель) с переменной степенью сжатия (варикомп), двухтопливный (бензин / дизель) производства компании prodit, см. Рисунок 1.Технические характеристики этого двигателя показаны в таблице 1. Выхлопные газы анализируются с помощью приборов анализа газов MEG001 и T156D, а измерение температуры выполняется с помощью термопары типа K.