1. Работа энергетических установок в эксплуатации на неустановившихся режимах.

В условиях эксплуатации двигатель автомобиля часто работает на так называемых неустановившихся режимах (НУР). Из числа НУР наиболее значимы режимы разгона. Возможны НУР при постоянной частоте вращения, поддержание которой при изменении внешней нагрузки осуществляется либо непосредственно водителем, либо при помощи автоматического регулятора (см. гл. 10).

Неблагоприятными в экологическом отношении являются не­установившиеся режимы пуска и прогрева двигателя, а также режи­мы принудительного холостого хода (ПХХ), которые, как правило, также бывают неустановившимися.

В частности, признаком НУР является неравенство (дисбаланс) энергии, отдаваемой двигателем, и энергии, израсходованной по­требителем:

где J— приведенный к оси коленчатого вала суммарный полярный момент инерции вращающихся и возвратно-поступательно движу­щихся масс системы двигатель — потребитель, кг ∙ м²; М_к и М_с — крутящие моменты двигателя и потребителя; ω — угловая скорость коленчатого вала, рад/с; τ — время, с.

На таких НУР имеет место изменение скоростного режима дви­гателя.

Более общим признаком НУР является изменение во времени хотя бы одного из параметров, характеризующих состояние двига­теля.

Изменение режима работы двигателя, представляющее собой последовательность НУР, называется переходным процессом, т. е. переходный процесс является множеством НУР, упорядоченным по времени. Переходный процесс называется квазистационарным, если на всех НУР, составляющих данный переходный процесс, значения всех параметров, характеризующих состояние двигателя, совпада­ют с их значениями на сходственных установившихся режимах (УР). Под сходственными понимаются режимы двигателя при одинако­вых значениях частоты вращения вала и положения органа управле­ния двигателем (ОУД).

Причиной возникновения переходного процесса является, как правило, внешнее воздействие либо в форме изменения положения ОУД, либо в виде изменения внешней нагрузки. Показатели двига­теля в переходном процессе зависят от времени, прошедшего после начала воздействия, и от вида воздействия.

В переходных процессах, связанных с изменением скоростного режима двигателя, отличия выходных энергетических показателей от соответствующих значений на сходственных УР частично вызы­ваются механической инерционностью двигателя. Например, при разгоне двигателя эффективный крутящий момент на НУР (М),отдаваемый потребителю, отличается от индикаторного момента (М)не только на величину потерь на трение, газообмен и привод вспомогательных механизмов (М), но и на величину затрат на разгон вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс двигателя:

где J_д — приведенный к оси коленчатого вала полярный момент инерции вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс двигателя (в дальнейшем — «момент инерции двигателя»).

Поэтому в качестве показателя, адекватного эффективному кру­тящему моменту на УР (М), используется понятие квазиэффектив­ного крутящего момента на НУР (М),включающего в себя затра­ты на разгон указанных масс двигателей. Тогда разность М— Мвсецело связана с различиями в рабочих процессах двигателя и в со­ответствующих составляющих внутренних потерь на сходственных УР и НУР.

Переходные процессы приводят к изменению η_v, состава смеси в цилиндрах, условий смесеобразования, сгорания и тепловыделе­ния, что выражается в изменении η_i. В ДВС наиболее заметные изменения перечисленных факторов происходят при быстром от­крытии дроссельной заслонки (ДЗ) и вызываются изменением коли­чества воздуха или смеси в объеме впускного трубопровода.

В качестве примера рассмотрим переходный процесс ДВС при постоянном скоростном режиме, реализуемый быстрым открытием ДЗ. Как правило, такой процесс предшествует последующему раз­гону двигателя. Для большей наглядности давление воздуха во впускном трубопроводе р_к будем соотносить с величиной атмосфер­ного давления р₀ (_к=p_к / p_o), расходы воздуха на входе во впускной трубопровод (G₁) и через цилиндры двигателя (G₂), а также величину крутящего момента в переходном процессе (М)— соответственно с их установившимися значениями (G_o и A/_rt) после завершения переходного процесса: .

Исходный режим двигателя перед таким переходным процессом характеризуется малым углом φ₁ открытия ДЗ, низким давлением во впускном трубопроводе _к и соответственно незначительным количеством горючей смеси в нем. Напротив, при полном открытии ДЗ давление во впускном трубопроводе и количество смеси в нем максимальны. При быстром открытии ДЗ в первые моменты време­ни расход воздуха (GO через дроссельный патрубок, т. е. на входе во впускной трубопровод, определяет не столько наполнение двига­теля, сколько интенсивность изменения массы воздуха в объеме впускного трубопровода (рис. 9.24).

Расход воздуха через цилиндры двигателя (),определяющий их наполнение и зависящий от р_k и T_k (при п=const), значительно ниже соответствующих значений на сходственных УР (см. штриховые линии на рис. 9.24). Эти газоди­намические явления оказывают определяющее влияние на величину М.Для сравнения на этот график нанесены значения квазистаци­онарного крутящего момента М, построенные с использованием зависимости =f[φ₁ (τ)]. Однако это влияние заканчивается сразу после открытия ДЗ. Кроме того, оно уменьшается по мере снижения скорости открытия ДЗ. На режимах разгона с полностью открытой ДЗ этот фактор практического значения не имеет.

Рис. 15.1. Изменение относительных мгновенных расходов воздуха через дроссель­ный патрубок ДсИЗ (₁=G₁/G₀) и через двигатель (₂ = G₁/G₀)_J давления во впускном трубопроводе (_к =p_k /p_o) и крутящего момента (= М/М_k0) в переходном процессе, вызванном быстрым открытием ДЗ: φ₁ — угол поворота ДЗ; Go и M_k0 — расход воздуха и крутящий момент после завершения переходного процесса; p_о — давление окружающей среды; G₁ и G₂ — текущие расходы воздуха через дроссельный патрубок и двигатель; р_k — текущее давление во впускном трубопроводе. Двигатель V8: iV_h=7,7 л, частота вращения n= 1000 мин^-1;--- – изменение показателей при квазистационарном переходном процессе; –– – реальный переходный процесс.

В дизелях с турбонаддувом вследствие чисто газовой связи двигателя и турбокомпрессора и механической инерционности по­следнего во время разгона имеет место более длительное снижение массового наполнения цилиндров, вызывающее снижение энергети­ческих показателей дизелей.

Кроме того, несоответствие количества воздуха количеству подаваемого топлива приводит к обогащению смеси и повышенной дымности ОГ.

Несовпадение теплового состояния деталей двигателя на НУР с их тепловым состоянием на сходственных УР называется тепловой инерцией двигателя. Характерной ее особенностью является боль­шая длительность по сравнению с переходными процессами в систе­мах топливоподачи и газообмена. Тепловая инерция может увели­чивать наполнение двигателя при его разгоне с малых нагрузок, что характерно для двигателей с газовым подогревом впускного трубо­провода, двигателей воздушного охлаждения и дизелей. В двига­телях с жидкостным подогревом впускного трубопровода влияние тепловой инерции на наполнение цилиндров незначительно. Крат­ковременное влияние тепловой инерции на наполнение двигателя отмечается в ДсИЗ с распределенным впрыскиванием бензина, впускные трубопроводы которых не имеют подогрева. Более замет­но тепловая инерция влияет на процессы смесеобразования и сго­рания.

Изменение подачи топлива в цилиндры ДсИЗ в переходных процессах, вызванное быстрым открытием или закрытием ДЗ, в общем случае частично обусловлено процессами в органах управле­ния дозированием и подачей (форсунки — в системах впрыскивания бензина или карбюратор — в карбюраторных системах питания), а частично — с явлениями во впускном трубопроводе.

На исходном режиме перед разгоном карбюраторного двигателя подача топлива осуществляется через систему холостого хода, что уменьшает уровень топлива в каналах главной дозирующей систе­мы. При быстром открытии ДЗ поток топлива меняет свое направ­ление в сторону диффузора, но до момента выхода из распылителя топливо должно заполнить каналы главной дозирующей системы. Длительность этой транспортной задержки лежит в пределах 0,4...0,7 с и зависит от скорости воздушного потока в диффузоре и особенностей карбюратора. Эффективным средством уменьшения этой задержки является применение двухкамерных карбюраторов с пневматическим управлением вторичной камерой. При быстром закрытии ДЗ также возможна задержка подачи топлива через систе­му холостого хода (0,5...1,3 с) из-за необходимости заполнения топливом ее длинных каналов.

Другой причиной обеднения смеси в цилиндрах двигателя при разгоне является увеличение количества топливной пленки на стенках впускного трубопровода. Эти процессы протекают примерно оди­наково как в карбюраторных системах питания, так и в ДсИЗ с центральным впрыскиванием бензина и связаны с зависимостью количества топливной пленки во впускном трубопроводе от режима работы двигателя (ее количество максимально при полностью от­крытой ДЗ и низком скоростном режиме, но она практически отсут­ствует при малых нагрузках, характерных для исходного режима перед разгоном). При резком открытии ДЗ часть топлива, вытека­ющего из распылителя или из форсунки, расходуется на увеличение толщины топливной пленки, которая достигает цилиндров с боль­шим опозданием. Обеднение смеси, связанное с этим явлением, очень значительно (рис. 15.2) и ликвидируется при помощи системы обогащения (коррекцией подачи топлива на НУР в ДсИЗ с цент­ральным впрыскиванием бензина или ускорительным насосом, в карбюраторных двигателях). Топливо, поданное таким способом, частично обогащает смесь, поступающую в цилиндры двигателя, а частично осаждается на стенках впускного трубопровода, что через некоторое время приводит к вторичному обогащению смеси, поступающей в цилиндры. Стабилизация состава смеси происходит через 2...4 с после начала движения ДЗ. В карбюраторных ДсИЗ заметное обеднение смеси отмечается и в момент начала открытия вторичной камеры, что отмечено стрелками на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Переходные характеристики начальной стадии разгона ДсИЗ, осуществля­емого быстрым и полным открытием ДЗ первичной камеры карбюратора при включенном (—) и выключенном (— — —) ускорительном насосе: φ₁ и φ₂ — углы открытия ДЗ первичной и вторичной камер, %; а — коэффициент избытка воздуха; М_k — крутящий момент двигателя, Н^-м; n—частота вращения коленчатого вала, мин ^-1

Переходные процессы, вызванные быстрым открытием ДЗ и протекающие в современных ДсИЗ с распределенным впрыскива­нием топлива в зону впускных клапанов, имеют ряд особенностей. Причинами обеднения смеси в таком переходном процессе яв­ляются образование топливной пленки и динамические свойства измерителя расхода воздуха (расходомера). Несмотря на то что форсунки приближены к впускным клапанам, влияние первого фактора ощутимо, так как большая часть топлива, попавшего на клапан или на стенку, испаряется по механизму пленочного испарения в условиях ограниченного подвода теплоты (впускной трубопровод не имеет подогрева). Задержка в реакции измерителя расхода воздуха также может способствовать уменьшению ци­кловой подачи топлива, что отрицательно сказывается на про­текании первых одного-двух рабочих циклов после открытия ДЗ.

Все это усугубляется пониженной температурой смеси в цилиндре из-за пониженной температуры стенок и испарения значительной части топлива в цилиндре.

В то же время в ДсИЗ с распределенным впрыскиванием топлива в зону впускных клапанов ряд факторов способствует обогащению смеси при быстром открытии ДЗ.

Во-первых, при высоком быстродействии расходомера воздуха его выходной сигнал отражает закономерность изменения расхода в месте установки расходомера. Однако эта величина не соответ­ствует расходу воздуха через двигатель и определяется в основном закономерностью изменения количества воздуха в объеме впуск­ного трубопровода (см. рис. 9.24) и волновыми явлениями во впуск­ном трубопроводе, зависящими в первую очередь от расстояния между расходомером и дроссельным патрубком. В этом случае электронный блок управления по информации, поступающей от расходомера воздуха, отработает команду увеличенной цикловой подачи, что несколько снижает эффект обеднения, вызванный выше перечисленными факторами.

Во-вторых, при быстром открытии ДЗ в цилиндры двигателя поступают в первую очередь более легкие фракции топлива, для которых характерно более высокое значение количества воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива (/₀), что также способствует обогащению смеси.

Однако преобладающим фактором является обеднение смеси и ухудшение процессов смесеобразования и сгорания в первых рабочих циклах после быстрого открытия ДЗ. Это требует обогаще­ния смеси, хотя и в меньшей степени по сравнению с карбюратор­ными ДсИЗ. Команда на коррекцию состава смеси отрабатывается электронным блоком управления по сигналам датчиков частоты вращения и скорости открытия ДЗ.

В дизелях изменение цикловой подачи топлива на НУР по сравнению со сходственными УР связано с зависимостью остаточ­ного давления в топливопроводе высокого давления от активного хода плунжера топливного насоса высокого давления (ТНВД). При быстром перемещении рейки насоса от исходного положения до положения, соответствующего максимальной подаче, остаточное давление в топливопроводе перед следующим циклом (циклом мак­симальной подачи) будет равно остаточному давлению предыдуще­го цикла (цикла исходного режима), протекавшего при малом ак­тивном ходе плунжера. Как правило, при малых частотах вращения это остаточное давление больше соответствующего значения при максимальном активном ходе плунжера, что приводит к увеличе­нию цикловой подачи при разгоне в нескольких первых рабочих циклах. В ряде случаев это может повысить дымность ОГ.

Влияние тепловой инерции сильнее проявляется при разгоне дизелей, особенно с пристеночным смесеобразованием. Тепловая инерция увеличивает период задержки воспламенения и повышает Жесткость работы дизеля.

В отличие от характеристик, описанных в § 9.1—9.6, которые снимаются на установившихся режимах, методы определения ха­рактеристик на НУР не стандартизованы. Испытания двигателей на НУР проводят на специальных моделирующих стендах, которые позволяют воспроизводить нагрузки на двигатель, адекватные его нагрузкам на автомобиле.

Для оценки влияния НУР на показатели двигателя послед­ние сравнивают с соответствующими показателями на сходст­венных УР. Причем для построения квазиустановившегося пере­ходного процесса крутящего момента используется зависимость M[φ(τ)_р п(τ)] (где φ и п — соответственно угол поворота ДЗ и ча­стота вращения коленчатого вала). Например, процесс разгона двигателя с искровым зажиганием, осуществляемый быстрым и полным открытием ДЗ, может быть разделен на начальную и основную фазы (рис. 9.26). В начальной фазе длительностью

τ₁ переходные характеристики М(τ)и М(τ)резко отличаются в количественном и качественном отношении. В основной фазе разгона (при τ≥ τ₁) изменение М(τ)определяется его величиной и изменением по статической внешней скоростной характеристике, причем М≈ M. В общем случае началом основной фазы следует считать длительное и устойчивое совпадение производных по вре­мени:

Изменение крутящего момента М(τ) в начальной фазе разгона включает в себя участок (1) его резкого нарастания и отдельные участки (2 и 3) его кратковременного снижения — «провалы» (рис. 9.26). Такой характер изменения М(τ) определяется переходными процессами в системах впуска и топливоподачи, вызванными от­крытием ДЗ, а также фактором цикличности работы двигателя, благодаря которому любое изменение на впуске может быть ре­ализовано в цилиндре двигателя только после завершения процес­сов впуска и сжатия; поэтому кривая М(τ) сдвинута по фазе относительно кривой ₂(τ) на отрезок времени, необходимый для совершения этих процессов (см. рис. 9.24).

В карбюраторном ДсИЗ участок 1 резкого нарастания М(рис. 9.26) определяется в основном работой системы холостого хода. Кратковременный провал Мна участке 2 связан с задержкой включения главной дозирующей системы и вышеописанными явле­ниями во впускном трубопроводе. Провал 3 в зоне плавного изме­нения М(рис. 9.26) вызывается включением вторичных камер карбюратора.

Начало основной фазы разгона соответствует окончанию влия­ния переходных процессов в системах двигателя на его энергетичес­кие показатели.

Показатели дизелей без наддува в основной фазе разгона (после перемещения рейки топливного насоса и завершения переходных процессов в системе топливоподачи), как правило, совпадают с со­ответствующими значениями на сходственных УР. Изменение энер­гетических показателей таких дизелей в начальной фазе разгона и при выходе на регуляторную ветвь

Рис 15.3. Процесс разгона ДсИЗ, осуществляемый быстрым открытием ДЗ (двига­тель V8, iV_h=7,7 л) зависит от конструкции регу­лятора и определяется его динамическими свойствами. При разгоне дизеля с турбонаддувом «отставание» увеличения массового напол­нения от частоты вращения коленчатого вала вследствие механичес­кой инерционности ротора турбокомпрессора приводит к длитель­ным (до 4...5 с) и значительным (до 20%) снижениям энергетических показателей (по сравнению со сходственными УР).