Оценка мощностных показателей
Динамические качества являются одним из важнейших факторов, определяющих показатели современных автомобилей. Работы по улучшению мощностных показателей автомобилей проводятся, например, при подготовке к скоростным соревнованиям, для эксплуатации автомобиля в условиях горных дорог, по пересеченной местности, проселочных дорог и бездорожья, при движении с прицепом и т. д.
Мощностные показатели двигателя могут определяться на установившихся режимах и во время разгона автомобиля при различном повышении частоты вращения коленчатого вала. На установившихся режимах оценка мощностных показателей двигателя производится прежде всего по внешней скоростной характеристике двигателя, определяемой при установке его на специальный моторный стенд или при установке автомобиля на динамометрический стенд с беговыми барабанами при полном открытии дроссельных заслонок. На динамику разгона автомобиля оказывает влияние протекание кривой крутящего момента Мк в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. В качестве оценочных параметров обычно берут три точки: крутящий момент при минимально устойчивом значении n, максимальный крутящий момент, максимальная мощность и соответствующие указанным значениям момента значения n. Основные пути повышения мощностных показателей следующие:
- увеличение рабочего объема цилиндров;
- повышение наполнения цилиндров;
- повышение степени сжатия;
- уменьшение внутренних потерь;
- оптимизация состава смеси и углов опережения зажигания при различных режимах работы двигателя.
Косвенно мощностные показатели двигателя могут оцениваться по динамическим качествам автомобиля, определяемым в дорожных условиях по времени разгона с места при переключении передач до заданной скорости (обычно до 100 км/ч), по времени прохождения 1 км с разгоном с места, и максимальной скорости. В случае если нет возможности продолжать движение с максимальной скоростью, необходимо оценить мощность двигателя при больших значениях n, испытания часто приходится проводить на пониженной передаче. Например уточняется регулировка карбюратора и установка прерывателя перед началом ралли за рубежом при переходе на бензин иностранных фирм или эксплуатации в других климатических условиях (высокогорье, тропический климат и другие). Определение динамических показателей автомобиля производится на ровном асфальтированном участке специальной динамометрической дороги при движении в двух направлениях, чтобы исключить влияние ветра. Указанные показатели динамики разгона автомобиля, в основном, зависят не только от мощностных показателей двигателя, но и процесса карбюрации, момента инерции вращающихся частей двигателя и трансмиссии, передаточных чисел главной передачи, коробки передач, радиуса качения колеса, обтекаемости автомобиля и ряда других факторов. Ниже мы рассмотрим способы усовершенствования систем топливоподачи и их влияние на мощностные и динамические показатели, характер протекания кривой крутящего момента, время разгона, расход топлива и токсичность.
Применение настроенной системы питания
Наибольший эффект в карбюраторных двигателях достигается при установке нескольких карбюраторов с горизонтальным или наклонным потоком смеси так, чтобы для каждого цилиндра имелся свой воздушный тракт, обеспечивающий максимальную величину до-зарядки цилиндра в зоне от НМТ до момента закрытия клапана на выбранных режимах (обычно в зоне частот вращения вала, соответствующих диапазону от Мк max до Ne max).
Повышение мощности достигается за счет уменьшения аэродинамического сопротивления на ходе впуска при полировке стенок впускного канала, ликвидации ступеней в местах соединения головки цилиндров с впускным трубопроводом, установкой диффузоров на входы в каналы карбюратора, экспериментального подбора размеров каналов и фаз газораспределения с целью создания настроенной системы впуска и выпуска, обеспечивающих на основных рабочих режимах увеличение коэффициента наполнения двигателя свыше единицы в результате дозарядки цилиндров. На двигателе с рабочим объемом 1,45 л установка двух горизонтальных карбюраторов «Вебер 40 ДСОЕЕ 44» (диаметр диффузоров 40 мм) без каких-либо других изменений приводит к увеличению мощностных показателей на 10...12% практически во всем диапазоне частот вращения вала. Повышение степени сжатия с 8,8 до 9,2, расширение каналов впускной системы привело в сочетании с установкой двухкамерных карбюраторов к повышению максимальной мощности двигателя ВАЗ-2106 на 36 % (с 59 кВт при 5600 мин до 80 кВт при 6000 мин-1). Максимальное значение коэффициента наполнения при этом увеличивается с 0,9 при 3200 мин-1 до 0,96 при 4800 мин-1, т.е. на 6%. Расширение фаз газораспределения и увеличение подъема клапанов на 1 мм обеспечивает увеличение максимального коэффициента наполнения с 0,96 при 4800 мин до 1,04 при 6000 мин-1 т. е. на 8%.
Таким образом, комплекс мероприятий (увеличение проходных сечений впускной системы, установка двух горизонтальных двухкамерных карбюраторов, выпускной системы с индивидуальными патрубками, повышение степени сжатия, повышение максимальной частоты вращения вала) в сочетании с необходимыми конструктивными изменениями, связанными с обеспечением безотказности двигателя (изменение деталей кривошипно-шатунного, газораспределительного механизмов и т. д.), обычно позволяет повышать максимальную мощность двигателя до 120 кВт.
Для двигателей с рабочим объемом 1,6...1,8 л, как правило, применяется по два двухкамерных карбюратора (рис. 51) «Вебер» или «Солекс» с диффузорами диаметром 45 мм. При установке двух карбюраторов приходится подбирать их регулировку путем замены топливных и воздушных жиклеров главной дозирующей системы и жиклеров экономайзера или эконостата. В некоторых случаях необходимо уточнять регулировку путем смены эмульсионных трубок.
Рис. 51. Схемы горизонтального двухкамерного карбюратора с параллельным открытием дроссельных заслонок: а условный разрез в вертикальной плоскости; б - условный разрез в горизонтальной плоскости; 1 - распылитель; 2— диффузор; 3 - дроссельная заслонка; 4 - распылитель ускорительного насоса; 5 - отверстия переходной системы; 6 - выходное отверстие холостого хода; 7 - винт качества смеси; 8 - топливный жиклер холостого хода; 9 - главный воздушный жиклер; 10 - крышка узла жиклеров; 11 - поплавок; 12 - главный топливный жиклер; 13 - винт количества воздуха; 14 - подшипники оси дроссельных заслонок
В отличие от методики подбора жиклеров для карбюраторов с последовательным открытием дроссельных заслонок, важно в каждом комплекте топливных и воздушных жиклеров обеспечить отклонения их пропускной способности не более 1...2%. В противном случае неравномерность распределения смеси по цилиндрам по составу будет слишком велика. Порядок подбора жиклеров может производиться по приведенной выше методике. При работе на вакуумной установке необходимо иметь в виду, что каждая секция карбюратора работает только на один цилиндр, поэтому при выборе размеров диффузора и смесительной камеры часто делают ошибку, суммируя проходные сечения четырех камер. Проходное сечение одного диффузора и смесительной камеры должно соответствовать двигателю с рабочим объемом всех четырех цилиндров, так как впуск в каждый цилиндр происходит только через одну смесительную камеру.
В карбюраторах с ускорительным насосом важно отрегулировать его производительность для каждой камеры на одинаковую величину. При установке нескольких карбюраторов для более равномерного распределения смеси (и по составу и по количеству) по цилиндрам на холостом ходу и малых нагрузках задроссельные пространства всех цилиндров сообщаются байпасными каналами. При установке карбюраторов необходимо убедиться в герметичности прокладок и отсутствии прососа воздуха во всех местах соединения.
Привод дроссельных заслонок должен быть связан между собой регулируемой тягой, так чтобы иметь возможность обеспечить одновременное начало открытия заслонок. Регулирование холостого хода представляет наибольшие затруднения. Пока карбюраторы еще не установлены на двигатель, необходимо проверить и, если требуется, отрегулировать положение дроссельных заслонок так, чтобы они все одинаково плотно прилегали к стенкам смесительной камеры. Затем винтом количества они открываются на одинаковую величину (1...1,2 мм). После установки карбюраторов на двигатель производится регулирование состава смеси и уточнение частоты вращения вала. Если снять карбюраторы не представляется возможным, положение заслонок может быть отрегулировано по числу оборотов винта количества смеси (обычно 1...1,5 оборота от полностью закрытого положения заслонок). Затем производится регулирование состава топливовоздушной смеси.
Для спортивных соревнований, когда нет ограничений на концентрацию CO в отработавших газах, регулирование каждой смесительной камеры производится последовательно по тахометру на максимальную частоту вращения вала. Затем уточняется заданная частота вращения nxxmin вала путем вращения винтов количества точно на одинаковый угол поворота и снова по тахометру, вращая винты качества, производится регулировка на максимальное значение и.
Для обычной эксплуатации, когда нормы на выброс CO ограничены 1,5%, регулирование состава смеси может производиться методом «от упора». Для этого все винты качества заворачивают до упора, а затем отворачивают на один — полтора оборота. В зависимости от показаний газоанализатора, поворачивая винты качества на одинаковый угол, добиваются заданной концентрации CO и СН. В случае необходимости, поворачивая винты количества воздуха на одинаковый угол, уточняют значение nx.x.min. Снова проверяют показания газоанализатора и, если требуется, повторяют регулировку.
В случае отсутствия газоанализаторов регулировку состава смеси производят последовательно, завинчивая каждый винт качества до момента неустойчивой работы и медленно отвинчивая до момента стабильной работы двигателя. Затем винтами количества воздуха уточняют частоту вращения вала. При необходимости перечисленные операции повторяют. Кос венная оценка равномерности распределения смеси по цилиндрам производится по цвету изолятора свечей зажигания.
При установке двух карбюраторов приходится сталкиваться с явлениями резонанса, приводящими к отказу работы поплавкового механизма в определенном диапазоне высоких частот вращения вала и переливу топлива. Для борьбы с такими явлениями между головкой блока двигателя и карбюраторами ставится гофрированная проставка из бензостойкой резины, уменьшающая уровень вибрации двигателя, передающейся на карбюраторы.
Снижение сопротивления на впуске путем подбора проходных сечений карбюратора
Увеличение проходного сечения диффузоров и смесительных камер обычно приводит к снижению или повышению мощностных показателей при соответственно низкой и высокой частотах вращения коленчатого вала. При увеличении рабочего объема цилиндров, повышении частоты вращения коленчатого вала, соответствующей максимальной мощности за счет уменьшения сопротивления системы газообмена и других факторов, как правило, требуется увеличивать и проходные сечения воздушного тракта карбюратора и уточнять размеры его дозирующих элементов. Однако в результате увеличения проходных сечений диффузоров максимальную мощность можно повысить не более чем на 8...10%. Наибольший эффект достигается при замене однокамерного карбюратора двухкамерным.
У двухкамерных карбюраторов с последовательным открытием дроссельных заслонок заслонка вторичной камеры может открываться как принудительно с помощью системы рычагов (карбюраторы ДААЗ 2101, 2103, К-126, К-151) или секторов с зубчатым зацеплением (механический привод), так и автоматически с использованием мембранного механизма (карбюраторы «Лодзь», ДААЗ 2105, 2108 и другие).
Добиваясь максимальных динамических качеств при разгоне автомобиля большинство водителей плавно нажимают на педаль управления дроссельными заслонками так, чтобы при низкой частоте вращения коленчатого вала вторичная камера оставалась приоткрытой. Ряд моделей автомобилей оснащаются карбюраторами с автоматическим открытием вторичной камеры, освобождая водителя от необходимости пользоваться педалью управления дроссельными заслонками при интенсивном разгоне автомобиля. В этом случае от педали управления дроссельными заслонками осуществляется привод только дроссельной заслонки первичной камеры. Дроссельная заслонка вторичной камеры открывается автоматически в зависимости от расхода воздуха. В данных карбюраторах появляется возможность улучшить показатели при малых значениях и, когда вторичная камера закрыта за счет увеличения скорости потока воздуха в первичной камере, улучшения смесеобразования и увеличения наполнения. Кроме того, не ухудшая наполнения при малой частоте вращения вала, можно увеличить проходное сечение диффузора вторичной камеры карбюратора до оптимальной величины с целью получения максимальных мощностных показателей при большой частоте вращения вала.
При одинаковом суммарном сечении диффузоров карбюратор обеспечивает повышение крутящего момента на частоте вращения коленчатого вала двигателя менее 2500 мин-1. Наиболее эффективен автоматический привод при частоте вращения вала менее 1500 мин-1.
С целью повышения крутящего момента в зоне малых частот вращения вала в результате устранения переобеднения состава смеси у карбюраторов с автоматическим приводом без экономайзерного устройства вследствие подачи топлива в двигатель на данном режиме только через первичную камеру может быть использовано устройство для принудительного открытия дроссельной заслонки вторичной камеры на угол 10...12°. Таким образом в результате истечения топлива из отверстий переходной системы вторичной камеры обогащается смесь. Механизм (рис. 52) для осуществления такого открытия дроссельной заслонки для карбюраторов ДААЗ 2105, 2107 представляет собой дополнительный выступ а на рычаге 1 оси дроссельной заслонки вторичной камеры, с которым при полном нажатии на педаль управления дроссельной заслонкой контактирует соответствующий рычаг 2 на оси заслонки первичной камеры.
Рис. 52. Механизм открытия дроссельной заслонки вторичной камеры с целью обогащения смеси при полном открытии дроссельной заслонки первичной камеры: а - привод; б - рычаг привода дроссельной заслонки вторичной камеры
Как показали испытания, в карбюраторах с автоматическим приводом вторичной камеры имеется возможность увеличивать проходное сечение ее диффузора по сравнению с принятым при принудительном приводе дроссельных заслонок.
При переходе с холостого хода на малые нагрузки в начальный период вступления в работу главной дозирующей системы из распылителя на дроссельную заслонку топливо подается в виде крупных капель. Несмотря на это, заметного увеличения выброса углеводородов с отработавшими газами не наблюдается, так как у кромки дроссельной заслонки в данный момент имеется критический перепад давления, способствующий раздроблению и перемешиванию с воздухом капель топлива. По мере увеличения угла поворота дроссельной заслонки повышается вакуум в диффузоре, что обеспечивает перемещение зоны активного смесеобразования от кромки заслонки к диффузору.
При выборе карбюратора или проведении работ по его усовершенствованию может быть принята такая последовательность расчета с учетом анализа результатов испытаний ряда современных карбюраторов.
Рис. 53. Смесительная камера с выемками в зоне кромок дроссельной заслонки
Теоретическая скорость воздуха Uв для минимального сечения диффузора (рис. 53, сечение I—I)
где р0 — давление окружающей среды, Па; Δрф перепад давления при прохождении воздуха через воздушный фильтр, Па; рд — давление в диффузоре, Па; ρв — плотность воздуха, кг/м³.
Действительная скорость воздуха в диффузоре
где φв — коэффициент скорости, учитывающий гидравлическое сопротивление воздушного тракта; μc — коэффициент сужения струи.
Для рабочих значений вакуума в диффузоре 3...15 кПа величина φв меняется незначительно. В зависимости от конструктивных особенностей воздушного тракта она может находиться в пределах 0,78...0,9. Коэффициент сужения струи может быть принят равным 0,97...0,98.
Большинство современных карбюраторов имеют двойные диффузоры. Это позволяет получить высокие скорости в малом диффузоре, в котором расположено сопло распылителя главной дозирующей системы, и малую скорость, а следовательно, относительно низкое сопротивление основной массы воздуха. Кроме того, исключается прямое попадание капель топлива на стенки воздушного тракта, что способствует более равномерному распределению смеси по цилиндрам (по составу).
Скорость Uвм2 смеси в сечении II—II малого диффузора (см. рис. 53) может быть определена из уравнения
где φвм1 и φвм2 — коэффициенты скорости, учитывающие сопротивление малого диффузора соответственно для сечений I—I и II—II; F1 — площадь выходного сечения малого диффузора, см²; F2 — площадь горловины малого диффузора, см²; Δрм1 и Δрм2 — вакуум в малом диффузоре соответственно в выходном сечении (сечение I—I) и горловине диффузора (сечение II—II).
На соотношение массовых расходов воздуха, проходящего через большой и малый диффузор, косвенно может влиять также ширина и форма перемычек, на которых установлен малый диффузор и создающих турбулентный поток в большом диффузоре, площадь проходного сечения распылителя, выступающего в сечении малого диффузора, наличие различного рода перемычек, устанавливаемых в малом диффузоре.
В двухкамерных карбюраторах с параллельным открытием дроссельных заслонок и в однокамерных карбюраторах при полностью открытой дроссельной заслонке значения средней скорости воздуха в сечении большого диффузора находятся в пределах 15...20 м/с для режима минимальной устойчивой частоты вращения вала и 60...80 м/с для режима номинальной мощности.
В двухкамерных карбюраторах с последовательным открытием дроссельных заслонок без экономайзера в первичной камере проходное сечение диффузора камеры определяется из возможности движения по ездовому циклу (ОСТ 37.001.054—86), а также движения со скоростью 120 км/ч без перехода на вторичную камеру, имеющую обогащенную регулировку смеси.
На номинальном режиме в карбюраторах такого типа обычно удается добиться меньших скоростей в диффузорах 40...70 м/с, следовательно, имеем лучшее наполнение и более высокие мощностные показатели. Однако при увеличении сечений диффузоров могут появиться зоны «провалов» (переобеднения смеси) при малых нагрузках. При небольших углах открытия дроссельной заслонки, когда подача топлива через переходную систему уже прекращается, а через главную систему еще не начинается из-за снижения скоростей воздуха у распылителя эти «провалы» могут быть исключены путем выполнения выемок в стенках смесительной камеры 1 (см. рис. 53) или прорези между смесительными камерами в двухкамерных карбюраторах. При положении кромки дроссельной заслонки 2 на уровне переходных отверстий 4 через выемки 3 и 5 проходит дополнительное количество воздуха, а следовательно, истечение топлива из распылителя начинается еще в зоне действия переходной системы.
Улучшение распределения смеси по цилиндрам
Одной из причин снижения мощностных показателей двигателя при полностью открытых дроссельных заслонках является неравномерность распределения смеси по цилиндрам вследствие того, что, например, в двигателях ВАЗ первого поколения в средние цилиндры подается обогащенная смесь, а в крайние — обедненная. Это определяется тем, что в зоне впускного трубопровода перед разветвлением его на отдельные патрубки из-за порядка работы цилиндров 1—3—4—2 время на испарение пленки для средних цилиндров больше, чем для крайних. Кроме того, в карбюраторах ДААЗ первого поколения вторая смесительная камера подает топливовоздушную смесь обогащенного состава в зону, расположенную ближе к каналам средних цилиндров. Для улучшения равномерности распределения смеси по цилиндрам, а следовательно, улучшения мощностных и экономических показателей на указанных режимах, а также снижения температурного режима первого и четвертого цилиндров из-за переобеднения смеси могут быть использованы два пути:
изменение порядка работы цилиндров (1—2—4—3) путем установки специально изготовленного распределительного вала и перестановкой проводов высокого напряжения в распределителе;
создание системы для подачи на полной нагрузке обогащенной смеси первичной камеры. Для чего нужно внести изменение в карбюратор. Один из вариантов — введение в конструкцию механического или пневматического экономайзера в первичную камеру. Второй вариант — использование имеющихся в литье корпуса и распылителя каналов для введения эконостата в первичную камеру вместо вторичной. Но при этом ухудшается экономичность на частичных нагрузках. Третий вариант — в корпус над воздушными жиклерами вставляется выполненная из пластмассы или алюминия вставка по форме выемки, в которой расположен третий общий для двух камер воздушный жиклер (см. рис. 17). Главные воздушные жиклеры следует несколько увеличить. В общий воздушный жиклер может быть установлена регулировочная игла для корректирования состава смеси. При этом не обязательно снимать крышку воздушного фильтра, если сделать в ней отверстие с заглушкой для регулирования состава смеси отверткой.