Четверг, 28 Март 2024

Клевые тачки

Ваше мнение

Чьему производителю авторезины Вы доверяете?
 
Конструкция автомобиля
Индекс материала
Конструкция автомобиля
ОСОБЕННОСТИ КАЛИЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ И ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ И ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ НИМИ
После первой мировой войны
Хорошим топливом зарекомендовал себя этиловый спирт
Процесс сгорания — турбулентность и детонационное сгорание.
влияния тетраэтилового свинца
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНОМАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ
Калильное зажигание
Термин грохот
ВЫЯВЛЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ И ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО КАЛИЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ
детонационное сгорание
Преждевременное калильное зажигание
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВ
«Снам-Прогетти»
Подогревание катушки
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ И ДЕТОНАЦИОННОЕ СГОРАНИЕ
Регулировка момента зажигания
расчеты степени полноты сгорания
степень сжатия
Температурные режимы двигателя
ТЕОРИИ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ
ЗОНА ПОСЛЕДНЕЙ ЧАСТИ ЗАРЯДА
ТЕОРИЯ ДЕТОНАЦИИ
Детонационные волны
ТЕОРИЯ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ
Присутствие тетраэтилсвинца
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОНЫ ПОСЛЕДНЕЙ ЧАСТИ ЗАРЯДА И САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ
Тетраэтиловый свинец
СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ
Анализ ситуации в США и ФРГ проведен Дартнеллом.
В соответствии с современной теорией коагуляции
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ ОТ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ
ПРЕЖДЕВРЕМЕННОЕ И ПОСЛЕДУЮЩЕЕ КАЛИЛЬНОЕ ЗАЖИГАНИЕ
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ ДВИГАТЕЛЯ
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ УЧАСТКОВ КАЛИЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ
Температура воспламенения метанового топлива
Каталитическое «преждевременное калильное зажигание»
СКЛОННОСТЬ ТОПЛИВ К ПРЕЖДЕВРЕМЕННОМУ КАЛИЛЬНОМУ ЗАЖИГАНИЮ
ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ДВИГАТЕЛЯХ
Выполнение требований по токсичности
впрыск топлива за впускным клапаном
Устройство для непрерывной подачи однородной топливо-воздушной смеси
Зажигание
Возрастание требований к октановому числу топлива
Допустимые при производстве отклонения размеров камеры сгорания
Вихревое движение
Турбулентность
Пульсации
В гоночных спортивных автомобилях
Наилучший антидетонационный показатель
Следующий шаг на пути совершенствования экономичных двигателей
Фронт пламени
«Тексако TCCS»
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ТРЕНИЕ И СМАЗКА В АВТОМОБИЛЯХ
ОСНОВЫ ТЕОРИИ СМАЗКИ И ИЗНОСА
Влияние повышения температуры поверхности
Первые научные исследования в области теории подшипников
Соотношения ЭГД-теории
Графит и дисульфид молибдена
ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ
СВОЙСТВА ЛИСТОВЫХ ФОРМОВОЧНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПОГЛОЩЕНИЕ ВЛАГИ
ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ ВНАХЛЕСТКУ ПРИ СДВИГЕ
ДЕМПФИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ
ПОГЛОЩЕНИЕ ВЛАГИ
АЭРОДИНАМИКА АВТОМОБИЛЕЙ
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ФОРМЕ АВТОМОБИЛЯ
ВЛИЯНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ТОПЛИВНУЮ ЭКОНОМИЧНОСТЬ
РАСХОД ТОПЛИВА, ОБУСЛОВЛЕННЫЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
УСИЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ ВЕТРЕ
ЕЗДОВЫЕ ЦИКЛЫ ЕРА, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ УСЛОВИЯМ ДВИЖЕНИЯ В ГОРОДЕ И ПО ШОССЕ
ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ В РЕЗУЛЬТАТЕ УМЕНЬШЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
СОСТАВЛЯЮЩИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЕРЕДНЕЙ ЧАСТИ КУЗОВА
Принципы минимизации аэродинамического сопротивления
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАДНЕЙ ЧАСТИ КУЗОВА
Трехмерный отрыв потока
Критические конфигурации
Один из случаев критической конфигурации
увеличение донного давления
метод уменьшения сопротивления
Эксперименты Сайкса
Кузова автомобилей весьма разнообразны
Результаты исследований
ВИХРЕВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Движущая сила потока
ВЛИЯНИЕ БЛИЗОСТИ ЗЕМЛИ
численное решение
близость поверхности земли оказывает большое влияние на величину подъемной силы
влияние угла набегания потока
ТУРБУЛЕНТНОСТЬ НАБЕГАЮЩЕГО ПОТОКА
МАЛЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Испытания в аэродинамических трубах
Вращающиеся колеса
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА ФОРМЫ АВТОМОБИЛЯ
ЭМПИРИЧЕСКИЕ ПРАВИЛА СОЗДАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ МАЛОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ДЛЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
поток вблизи поверхности автомобиля и прицепа
СТРАТЕГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДОСТИЖЕНИЯ НИЖНИХ ПРЕДЕЛОВ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПОБОЧНЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
МЕТОДЫ ПОДБОРА СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ
РАБОЧИЙ ОБЪЕМ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ
КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ
два режима переключения передач:
Потери в трансмиссии
Бесступенчатые коробки передач
диапазон передаточных чисел бесступенчатой передачи
ПОТЕРИ НА РАБОТУ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЯ НА ТОПЛИВНУЮ ЭКОНОМИЧНОСТЬ
РАСЧЕТЫ НА ЭВМ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ И ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЯ
Случай трансмиссии с ручным переключением передач
расчет начинается о двигателя
ОГРАНИЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОДБОРА СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ
ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ
ТРЕБОВАНИЯ К ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И ПОКАЗАТЕЛЯМ АВТОМОБИЛЯ
ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ
ОБЗОР МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ
Задача оптимизации
КОНЦЕПЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КАТАЛИТИЧЕСКИХ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ ТРОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ
РАБОТА В РЕЖИМЕ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА
РАБОТА В РЕЖИМЕ ОТКРЫТОГО ЦИКЛА
Обычный карбюратор
После завершения периода подачи топлива
ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ
Все страницы

ВЛИЯНИЕ АНОМАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ НА ТОПЛИВНУЮ ЭКОНОМИЧНОСТЬ

Факт, что экономичность двигателя с искровым зажиганием зависит от степени сжатия, хорошо известен. Термодинамическое обоснование его приводится в различных учебниках, а практические последствия увеличения степени сжатия достаточно подробно исследованы, в частности, Кэрисом и Нелсоном.

Кэрис и Нелсон не могли точно определить оптимальную степень сжатия, однако они установили, что при степени сжатия 17 : 1 КПД двигателя начинает уменьшаться. Эта степень сжатия значительно меньше максимально возможной в двигателях массового производства, которая может быть примерно равной 24 : 1. Указанное предельное значение определяется техническими возможностями, оно применяется лишь в малых высокооборотных вихрекамерных и предкамерных дизелях, что обеспечивает легкий пуск и хорошее сгорание.

При высокой степени сжатия в двигателях с искровым зажиганием возникают проблемы, связанные с чрезмерным увеличением максимального давления в цилиндрах, вызывающим необходимость утяжеления конструкции и приводящим к увеличению потерь на трение. За все это приходится расплачиваться дополнительным расходом топлива.

При современном техническом уровне оптимальное значение степени сжатия для двигателей с искровым зажиганием, предназначенных для использования в легковых автомобилях малой массы, находится в диапазоне от 11 : 1 до 14 : 1. Однако большинство доступных топлив в условиях высокого давления в цилиндрах и при сопутствующих высоких температурах проявляют склонность к аномальному сгоранию. Вследствие этого на практике в двигателях, за исключением высокооборотных двигателей гоночных автомобилей, степень сжатия редко превышает 10 : 1, а чаще близка к 9 : 1. Несмотря на все сказанное, увеличение степени сжатия с 9 : 1 до 14 : 1 сулит значительное повышение экономичности, поэтому изучение факторов, приводящих к аномальному сгоранию, которое не позволяет реализовать это повышение, несомненно имеет смысл.

Двумя основными видами аномального сгорания являются детонационное сгорание и калильное зажигание, которые известны со времени появления самих двигателей с искровым зажиганием. Хотя Дугалд Клерк сообщил о первом наблюдении им детонационного сгорания еще в 1882 г., результаты его наблюдения с научной точки зрения были описаны недостаточно полно. Для лучшего понимания существа вопроса полезно начать с краткого исторического обзора.

 

 


 

Для первых двигателей с примитивными способами образования топливной смеси, например, в результате поверхностного испарения или с помощью фитилей требовался легкий бензин с низкой (100°С) точкой кипения. Таким топливом был продукт прямой перегонки сырой нефти. В настоящее время известно, что такое топливо самое худшее с точки зрения возможности его аномального сгорания, и, действительно, многие из подобных двигателей теряли мощность в процессе работы и в конце концов останавливались, хотя сгорание топлива все еще происходило. В других же двигателях процесс сгорания сопровождался сильным шумом, но они продолжали работать.

Английский исследователь, профессор Кембриджского университета Бертрам Хопкинсон показал, что причиной этому были два совершенно разных явления: преждевременное калильное зажигание, которое приводило к остановке двигателя, и детонационное сгорание, которое вызывало шум.

Вводя раскаленный докрасна стержень в работающий двигатель, он заставлял горючую смесь воспламеняться до подачи искры. С помощью примитивных приборов он наблюдал преждевременное калильное воспламенение, и ему удалось выяснить, что причиной бесшумной остановки двигателя является отрицательная работа, совершаемая поршнем. Когда, однако, Хопкинсон заставлял двигатель «детонировать», приборы показывали очень большие пики давления на нормальных в остальном диаграммах, в результате датчики давления со временем выходили из строя. Он считал, что при этом наблюдалось явление, сходное с явлением детонации в длинных трубах.

Несомненно, что к таким же выводам в то же самое время (1904 г.) пришли и некоторые другие исследователи из других стран, но именно Хопкинсон вдохновил своего ученика Г. Р. Рикардо на создание экспериментального двигателя, на котором он показал, как повышение температуры головки цилиндра при детонации приводит к началу преждевременного калильного воспламенения. Это важный результат, характеризующий последовательность процессов. Кроме того, Рикардо обнаружил «антидетонационное» свойство чистого бензина. Следующий двигатель, построенный им в 1913 г., позволял изменять давление сжатия с помощью наддува. Это дало ему возможность оценить различные топлива по степени стойкости к «детонации». Он установил, что толуол был лучшим из доступных топлив и что тяжелые бензины лучше легких. В результате проведенных испытаний Рикардо пришел к твердому убеждению, что обусловленная этими явлениями ограниченность возможного увеличения степени сжатия двигателей была основным препятствием на пути повышения их топливной экономичности.


 

После первой мировой войны, во время которой развитие двигателестроения и совершенствование конструкционных материалов ограничивалось в основном авиационной и танковой промышленностью, создание новых автомобильных двигателей потребовало проведения интенсивных исследований процессов сгорания. Эти исследования, приведшие к значительным успехам, были проведены в США, в частности, в исследовательских лабораториях фирмы «Дженерал моторе» под руководством Кеттеринга. Именно там Томас Мидгли открыл антидетонационные свойства тетраэтилсвинца, что позволило значительно расширить возможности увеличения степени сжатия по крайней мере для топлив нефтяного происхождения.

За решение поистине колоссальной задачи оценки склонности к детонации всех известных чистых углеводородов взялся Объединенный комитет по исследованию топлив нефтяной и автомобильной промышленности США, в результате чего к концу двадцатых годов была создана октан-гептановая шкала. В то же самое время в Англии в фирме «Шелл» были завершены исследования, проводившиеся Рикардо, Тизардом и Пайем на, по-видимому, первом двигателе действительно с переменным сжатием, сконструированным Рикардо одноцилиндровом четырехклапанном двигателе с верхним расположением распределительного вала объемом 2 л. Они исследовали термический КПД двигателя и его зависимость от состава топлива, степени сжатия и термодинамических свойств топливной смеси. Испытания двигателя показали хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов и способствовали, таким образом, созданию основ термодинамики двигателей.

Они опять показали, что толуол обладал наилучшими антидетонационными свойствами, и предложили шкалу, нулевая точка на которой соответствовала свойствам одного из свободных от ароматических соединений бензина, а точка 100 — свойствам толуола. Эта шкала появилась раньше шкалы, предложенной в США Объединенным комитетом по исследованию топлив, хотя, очевидно, и уступает ей.


 

Хорошим топливом зарекомендовал себя этиловый спирт, что сделало Рикардо пожизненным энтузиастом его распространения. Ему принадлежат слова, сказанные в 1920 г.: «Благодаря применению топлива растительного происхождения (этиловый спирт) человечество получает возможность превращать в энергию движения ежедневно поступающую энергию Солнца, в то время как, используя минеральное топливо, оно вынуждено расходовать свои запасы, которые весьма ограничены».

К 1927 г., который Агнью определил как год начала серьезных исследований в фирме «Дженерал моторе», уже выяснилось, что преждевременного калильного зажигания можно избежать путем совершенствования конструкции двигателя, но детонационное сгорание, которое в то время чаще называлось по признаку его проявления в двигателе «детонационным стуком», еще представляло собой фундаментальную проблему, решенную лишь частично.


 

Процесс сгорания — турбулентность и детонационное сгорание.

Значение турбулентного движения смеси в камере сгорания было известно пионерам двигателестроения, турбулентность позволяет объяснить кажущийся парадокс, заключающийся в том, что быстроходный двигатель работает быстрее, чем это позволяет распространение фронта пламени в топливной смеси. Хопкинсон продемонстрировал в' экспериментах в бомбе возможность регулируемого увеличения скорости распространения пламени в смеси с помощью вентилятора, вращающегося с различной скоростью. Его современник сэр Дугалд Клерк продемонстрировал противоположный эффект остановки двигателя после нескольких циклов работы из-за турбулентности. В тех случаях, когда заряд горючей смеси воспламенялся, сгорание его было неполным.

На начальном этапе вполне естественным было появление различных теорий детонационного сгорания. Тизард предполагал, что его причиной были большие ускорения фронта пламени и, как следствие этого, очень высокая температура пламени. Поршень при достижении ВМТ фиксировался и отсоединялся от ведущего вала с помощью телескопической стержневой системы. Приводимый в движение грузом вентилятор позволял создавать в камере сгорания турбулентность различной интенсивности. При сжатии происходило самовоспламенение, которое, как он считал, приводило к распространению пламени с очень высокой скоростью, и в процессе испытаний записывались индикаторные диаграммы.

В опытах был установлен двухфазный характер процесса самовоспламенения и замечена его зависимость от молекулярной структуры топлива. Роль турбулентности оказалась сложной, поскольку, с одной стороны, при Увеличении турбулентности увеличивается отвод тепла в «холодные» стенки камеры сгорания, а с другой стороны, увеличение турбулентности благоприятствует диффузии очагов самовоспламенения в заряде топливной смеси.


 

Эти эксперименты, а также выявление существенного влияния тетраэтилового свинца побудили профессора Каллендера сделать предположение, что во время задержки воспламенения образуются активные центры, которые он назвал «каплями ядер», а это способствует детонационному сгоранию. Мардлес показал, что вероятнее всего активные центры представляют собой перекиси органических веществ, и примерно в то же самое время Эджертон выдвинул предположение, что антидетонационное действие оказывают молекулярно-диспергированные окислы многовалентных металлов, которые в результате окислительно-восстановительной реакции разрушают активные насыщенные кислородом молекулы.

Конструкция камеры сгорания. В то же самое время, когда были получены эти фундаментальные результаты, Рикардо сконструировал для проведения исследований первую камеру сгорания, которая могла обеспечить эффективную работу двигателей автомобилей массового производства, — камеру сгорания с односторонним расположением клапанов. Такая конструкция двигателя была обусловлена требованиями производства. Все разработки Рикардо были хорошо документированы в соответствии с требованиями того времени.

 

 


 

1. Во-первых, нормальное сгорание является процессом, развивающимся от искры зажигания, подаваемой в определенный момент времени, и этот процесс представляет собой прогрессирующее по скорости распространение фронта пламени в камере сгорания до полного сгорания топливовоздушной смеси. При нормальном сгорании возможно возникновение шума, издаваемого элементами конструкции двигателя, причиной чего являются высокие скорости нарастания давления в цилиндрах.

2. Процессами аномального сгорания являются процессы сгорания, начинающиеся до или после подачи искры у накаленных участков поверхностей или частиц нагара и приводящие к нерасчетным режимам роста давления, или процессы сгорания, начинающиеся перед фронтом пламени и развивающиеся с очень высокими скоростями. К ним относятся все разновидности калильного зажигания и детонационного сгорания.

3. Детонационное сгорание сопровождается стуком, представляющим собой шум, который издают детали двигателя, причиной его служит самопроизвольное воспламенение (самовоспламенение) последней части заряда горючей смеси, находящейся перед фронтом пламени. Фронт пламени при этом может образовываться от искры или в результате калильного зажигания. В первом случае возможность возникновения детонационного стука зависит от величины угла опережения зажигания, а во втором его возникновение менее чувствительно к величине этого параметра.


 

4. Калильное зажигание происходит в результате воспламенения смеси от накаленных участков стенок камеры сгорания, головок выпускных клапанов, электродов или изоляторов свечи зажигания или частиц раскаленного нагара. При этом пламя после воспламенения распространяется с нормальной скоростью. Воспламенение может происходить до подачи искры, в этом случае процесс называется преждевременным калильнцм зажиганием, или после подачи искры, тогда процесс называют последующим калильным зажиганием. В обоих случаях диаграмма давления в цилиндре искажается.

5. Воспламенение при выключенном зажигании представляет собой обычно нерегулируемый процесс самовоспламенения смеси от сжатия в прогретом двигателе с прикрытой дроссельной заслонкой в течение, как правило, непродолжительного времени.

В зависимости от конструкции двигателя, условий его работы, количества и состава нагара при сгорании топливовоздушной. смеси могут одновременно происходить различные аномальные процессы. Некоторые из совокупностей таких процессов сгорания получили отдельные названия. Название резкого металлического стука получили четко прослушиваемые резкие стуки в двигателях с высокой степенью сжатия с неустойчивым образованием нагара. Это разновидность детонационного сгорания при калильном зажигании от накаленных участков поверхности.


 

Термин грохот применяется для наименования явления довольно устойчивого воспламенения от накаленных участков поверхностей части заряда в процессе сгорания. Следствием такого аномального процесса сгорания может быть слишком быстрый рост давления на начальном этапе цикла.

Последним в этом перечне упомянем высокооборотное детонационное сгорание. Термин детонационный стук не характеризует этого явления, поскольку оно происходит при высокой частоте вращения коленчатого вала и большой нагрузке, и часто на фоне общего шума незаметно для водителя. Результатом может быть прогар или оплавление поршней.

При работе двигателя на топливе с недостаточным октановым числом, определенным моторным методом, возможно быстро прогрессирующее преждевременное самовоспламенение.

 

 


 

Первым и основным средством обнаружения детонационного стука и оценки его интенсивности является ухо человека, очень часто даже в самых современных исследованиях именно оно является окончательным арбитром при принятии решения. Хорошо тренированное ухо не могут превзойти даже самые сложные электронные приборы, которые, тем не менее, обладают преимуществом отсутствия свойственных человеку субъективности оценок и усталости.

Выявление детонационного сгорания по наблюдениям за выкрашиванием поверхности поршня позволяет оценить положение и размеры зоны последней части заряда, но требует много времени. Автору лишь после 10 ч непрерывной работы высокопрочного экспериментального двигателя при частоте вращения вала 1500 мин-1 удалось обнаружить едва заметные следы эрозии, в то время как интенсивность детонационного стука буквально пугала участников эксперимента.

Наблюдение за теплоотводом в зоне остаточных газов позволяет обнаружить детонационное сгорание по резкому увеличению его скорости, превышающему нормальное увеличение, которое обусловлено влиянием приводящих к детонационному сгоранию факторов (например, увеличением степени сжатия и угла опережения зажигания).

Обычно при интенсивной детонации двигателей наблюдаются выделения сажи, но попыток контролировать детонационное сгорание путем обнаружения сажи не предпринималось.


 

Если бы в камере можно было сделать окно, то детонационное сгорание можно было бы обнаружить по сопровождающей его очень яркой вспышке, но, к сожалению, в реальных двигателях сделать окно затруднительно. При детонационном сгорании происходит резкое повышение ионизации газов во время вспышки. Оно может быть обнаружено с помощью ионизационного зонда, на который обычно подается отрицательный потенциал 100—300 В. Ток ионизации регистрируется электрометрическим усилителем и электронным осциллографом. В качестве ионизационного зонда может использоваться свеча зажигания двигателя при условии соответствующей изоляции цепей от высокого напряжения. Таким методом можно исследовать скорость распространения пламени, диаграмму работы двигателя и процесс гашения пламени, поскольку для его применения при испытаниях двигателя требуется сверление лишь небольшого (~3 мм) отверстия в стенке камеры сгорания.

На ниспадающих участках диаграмм ионизации можно видеть характерные для детонационного сгорания колебания. Однако для исследования детонационного сгорания этот метод применяется редко. Диаграммы соответствующим образом расположенных ионизационных зондов, позволяющие оценить степень ионизации в зависимости от угла поворота коленчатого вала, часто используются для выявления преждевременного калильного зажигания.

Исследования детонационного сгорания существенно продвинулись благодаря применению малоинерционных кварцевых пьезо-260 электрических датчиков давления. Малый размер, термостабильность и высокая прочность позволяют использовать эти датчики даже в обычных двигателях, прикрепляя их к корпусу свечи зажигания с помощью трубки малого диаметра с учетом требования отсутствия резонансных явлений. Некоторые специалисты интенсивность детонационного стука оценивают величиной повышения давления в камере сгорания. Другие предпочитают ставить в соответствие интенсивности детонационного стука скорость роста давления.


 

Преждевременное калильное зажигание очень удобно исследовать с помощью пьезоманометров, позволяющих выявить опережающий рост давления.

Акселерометры. Ударные волны давления в цилиндре, возникающие в результате детонационного сгорания, являются причиной передачи или излучения конструкцией двигателя колебаний с частотой 3—10 кГц, неопределенным образом зависящей от размеров и формы камеры сгорания. Первый датчик детонации, применявшийся в двигателях «Объединенного комитета по исследованию топлив США» (двигателях CFR) при оценке октановых чисел топлив, представлял собой «подскакивающее» устройство, резонирующее при колебаниях двигателя. При этом замыкались контакты интегрирующей схемы, с помощью которой измерялась интенсивность детонационного стука.

Современные акселерометры прикрепляются к характерной детали конструкции, такой как, например, болт крепления головки, или рядом с ним; наилучшее место расположения датчика определяется методом проб, поскольку спектры и источники постороннего шума, производимого клапанным механизмом, цепными и зубчатыми передачами и т. п., у различных двигателей различны.

Широкое применение акселерометров в двигателях способствовало значительному усовершенствованию их конструкции.

 

 


 

Октановое число. Как правило, условия эксплуатации работающих без подогрева двигателей (гоночных автомобилей и авиационных) соответствуют исследовательскому методу, а большинства автомобильных двигателей — моторному методу определения октанового числа. Чувствительностью топлива (к температурным условиям) называется разность октановых чисел, определенных исследовательским и моторным методами. Октановые числа, соответствующие дорожным условиям, могут быть определены путем регистрации частоты вращения вала двигателя на пределе детонации при разгоне автомобиля на высшей передаче для фиксированного значения угла опережения зажигания из некоторого диапазона. Строится также набор кривых, характеризующих зависимость частоты вращения вала двигателя от угла опережения зажигания, для различных эталонных смесей. Испытываемое топливо после этого может быть оценено простым сопоставлением полученных для него результатов с этими кривыми.

В случае отсутствия двигателей CFR для сравнения топлив на слух может быть использован любой двигатель с переменной степенью сжатия. Это наиболее употребительный метод.

Конечно, только с помощью двигателя CFR можно получить истинные значения октановых чисел. Приближенные значения октановых чисел, определяемых исследовательским и моторным методами, могут быть получены в результате исследования содержания углеводородов в испытываемом топливе методом ядерного магнитного резонанса, а также в результате исследования содержания свинца и серы.

Высокооборотная детонация. В настоящее время не существует общепринятого метода оценки склонности моторных топлив к высокооборотной детонации, поскольку само это явление трудно наблюдать и еще более трудно увязать его с повреждениями двигателей.

Известны факты, свидетельствующие о том, что определяемое моторным методом октановое число имеет большее значение, чем определяемое исследовательским методом, и что при сильной высокооборотной детонации появляются характерные признаки преждевременного калильного зажигания. Указанная проблема наиболее актуальна для Европы, где и проводятся основные ее исследования. Европейский координационный совет (С ЕС — Coordinating European Council) активно поддерживает разработку методов оценки повреждений при детонации для двигателей массового производства. Исследовательской группой CF—23 разработана схема метода испытаний, в соответствии с которой стабилизируется детонация, подбираются частота вращения вала двигателя, положение дроссельной заслонки и интенсивность детонации и затем проводятся испытания на выносливость в этих условиях и при этой интенсивности детонации.


 

Наиболее часто при применении метода регулирования интенсивности детонации используется полосно-пропускающее устройство для измерения ускорений Ассорини (Италия), основанное на разработке фирмы «Снам-Прогетти». Представляет интерес также система, в которой используется настраиваемый микрофон.

Существенные успехи в выявлении связи повреждений двигателя с интенсивностью детонации, рассчитываемой различными методами, достигнуты в Италии. Сам подход к классификации топлив по стойкости к высокооборотной детонации вызывает некоторые сомнения, поскольку эталонные топлива очень чувствительны к изменениям условий работы двигателя и ведут себя не так, как бензины высших сортов, содержащие ароматические соединения и олефины.

Это свидетельствует о необходимости подбора эталонных топлив с такой же химической кинетикой, как и у обычных бензинов.

Стойкость к преждевременному калильному зажиганию. Вследствие сильного каталитического действия поверхностей и неизбежности наличия различного рода отложений в отдельных местах камеры сгорания очень трудно классифицировать топлива по их склонности к преждевременному калильному воспламенению. Даунз предложил оценивать стойкость к преждевременному калильному воспламенению изооктана числом 100, а циклогексана или кумола, нулем. Он создавал условия для преждевременного калильного зажигания в цилиндре авиационного двигателя «Нейпир Даггер» с помощью охлаждаемой воздухом горячей пробки и в лабораторном экспериментальном двигателе («Рикардо Е6») с помощью электрически нагреваемой катушки с термопарой. Склонность к преждевременному калильному зажиганию оценивалась количеством энергии, требуемой для нагрева или охлаждения элемента до температуры калильного зажигания от нормальной эксплуатационной температуры. При применении горячей пробки ее обычная эксплуатационная температура значительно выше требуемой для калильного зажигания и объем охлаждающего воздуха обратно пропорционален количеству требуемой энергии.


 

В случае применения подогреваемой катушки ее температура была ниже температуры калильного зажигания, и поэтому показания ваттметра в цепи нагрева переменного тока непосредственно соответствовали количеству подводимой энергии. Аналогичную методику использовал Арригони, он осуществлял нагрев катушки до некоторой заданной температуры и анализировал диаграммы давления в камере с целью выявления среди них диаграмм, соответствующих циклам, в которых происходило калильное зажигание. В случае необходимости исследования влияния точек перегрева в конструкции двигателя или в образовавшемся нагаре можно выключить зажигание во время работы двигателя с большой нагрузкой и подсчитать число калильных зажиганий (с помощью ионизационного зонда) до того, как точки перегрева остынут. При этом ионизационным зондом может служить сама свеча зажигания, так что никакой модификации двигателя не требуется.

Грохот двигателя, являющийся разновидностью калильного зажигания от раскаленных частиц нагара, как показали проведенные в «Дженерал моторе» исследования, обусловлен влиянием бензола, и он уменьшается при применении изооктанового топлива, что позволяет построить шкалу, характеризующую стойкость двигателя.

 

 


 

Плотность заряда топливной смеси. Обычно при рассмотрении детонационного сгорания анализируются степень сжатия и нагрузки, но, конечно, основными параметрами, определяющими возможность детонационного сгорания, являются плотность заряда топливной смеси, температура последней части заряда и время. Плотность заряда зависит от величины давления во впускном трубопроводе (степени открытия дроссельной заслонки), степени сжатия и коэффициента наполнения. Температура зависит от адиабатического сжатия, потерь теплоты при сгорании, температуры поступающего заряда топливной смеси, температуры стенки ^камеры в зоне последней части заряда и предпламенных реакций окисления в остаточных газах последней части заряда. Время для развития процесса детонационного сгорания зависит от частоты вращения вала двигателя, скорости распространения пламени, угла опережения зажигания и турбулентности, т. е. от существенно взаимосвязанных факторов. Специалисты НАСА (NASA — National Aeronautics and Space Administration) исследовали возможность характеристики топлив для авиационных двигателей с помощью предельного значения плотности заряда 264 топливной смеси и температуры. Они показали, что для каждого топлива можно указать предельное значение плотности последней части заряда при любом значении ее температуры и что предельное значение плотности заряда уменьшается при увеличении степени сжатия и неизменной величине угла опережения зажигания.

Херон несколько видоизменил этот подход и использовал в качестве показателя коэффициент наполнения, определяемый по величине среднего индикаторного эффективного давления. Это позволило избежать необходимости измерений массового секундного расхода топлива. Указанные методы очень эффективны для сравнительной оценки антидетонационных характеристик различных камер сгорания.


 

Регулировка момента зажигания. Регулировка момента зажигания является самым доступным средством влияния на процесс детонационного сгорания. Задержка зажигания уменьшает температуру и давление последней части заряда и, таким образом, задерживает начало детонационного сгорания. Факторы, влияющие на нагрев свечи зажигания, влияют и на детонационное сгорание, поскольку при горячей свече воспламенение ядра происходит быстрее, что равносильно опережению зажигания. Холодная свеча может стать причиной гашения ядра, при холодной свече формирование фронта пламени замедляется и процесс сгорания задерживается. При применении свечи с нагаром в углублениях и в местах эрозии эффект уменьшения уровня детонации таков же, как и при применении холодной свечи.

Многие фирмы уменьшают примерно на 5° оптимальный угол опережения зажигания, соответствующий достижению максимального крутящего момента, что повышает антидетонационные характеристики двигателя ценой некоторого ухудшения экономичности. При больших частотах вращения двигателя задержка воспламенения может составить значительную часть времени распространения пламени и его неравномерность от цикла к циклу может существенно сказаться на неравномерности работы двигателя в целом. При малых частотах вращения (—1000 об/мин) этот эффект менее заметен.

Неравномерность работы от цикла к циклу достаточно подробно исследовалась статистическими методами, и было показано, что допустимые значения коэффициента избытка воздуха в топливовоздушной смеси ряда углеводородов и бензина, при которых происходит воспламенение от искры зажигания, могут достигать 2,2.

Частота вращения вала двигателя. Наиболее существенный эффект увеличения частоты вращения вала двигателя заключается в том, что при этом почти так же увеличивается скорость распространения пламени. При очень больших частотах вращения вала двигателя влияние турбулентности на процесс воспламенения и уменьшение коэффициента наполнения приводят к кажущемуся снижению скорости распространения пламени по сравнению с ожидаемой при соответствующем увеличении угла опережения зажигания.


 

Проведенные расчеты степени полноты сгорания для истинной скорости распространения пламени, определенной по кажущейся скорости с учетом поправки на задержку воспламенения, показали, что полнота сгорания постоянна вплоть до максимального значения частоты вращения вала двигателя. В камерах сгорания такого типа турбулентность течения смеси зависит от формы камеры и скорости движения поршня, дополнительное влияние на турбулентность оказывают пульсации газов в цилиндре.

Увеличение частоты вращения вала двигателя снижает интенсивность детонации при применении парафиновых топлив в большей степени, чем при применении олефиновых или ароматических топлив. Запаздывание с увеличением частоты вращения двигателя не уменьшается, и поэтому детонация менее интенсивна. С увеличением частоты вращения уменьшается также и слышимость детонационного стука, но повреждающее действие детонационного сгорания на конструкцию увеличивается до тех пор, пока при частоте, соответствующей максимальной мощности, не начнется преждевременное калильное зажигание. Наибольшие повреждения вследствие высокооборотной детонации могут быть при значениях частоты вращения коленчатого вала в диапазоне между максимальным крутящем моментом и максимальной мощностью.

Наличие олефиновых веществ в топливных смесях делает их стойкими к высокооборотной детонации. Как правило, бензины, содержащие препятствующие преждевременному воспламенению присадки, имеют низкие октановые числа.

Распространение пламени. С самого начала выпуска двигателей постоянно уменьшается протяженность главной оси камеры сгорания, что осуществляется за счет перехода от головки цилиндров с двусторонним верхним расположением клапанов к головке с односторонним нижним расположением клапанов, к «полусферической» камере и, наконец, к «шаровой» камере Мея, или tFirebalb, так как известно, что для двигателя с высокой степенью сжатия существенное значение имеет расстояние, проходимое фронтом пламени.


 

Известно, конечно, что в случае, когда степень сжатия превышает 7:1, длина проходимого фронтом пламени пути мала. Она немного меньше диаметра цилиндра для значений степени сжатия до 10 : 1 и примерно равна половине диаметра для больших значений степени сжатия. Следует, однако, иметь в виду, что при высоких степенях сжатия и малой полости в головке цилиндра или полости в поршне может возникнуть детонационное сгорание в областях, где малый зазор между металлическими

поверхностями препятствует нормальному распространению пламени, т. е. в областях, где образуются пульсации, в канавке верхнего поршневого кольца и между гребнем поршня над канавкой верхнего поршневого кольца и цилиндром.

Влияние величины расстояния, проходимого фронтом пламени, на самовоспламенение последней части заряда очень сложно. В современных двигателях с компактными (характеризуемыми малым отношением площади поверхности к объему) камерами сгорания турбулентность в окрестности ВМТ может сильно увеличиваться при поступлении заряда смеси из цилиндра в камеру сгорания. Температура последней части заряда при этом может увеличиться, так как процесс сжатия пламени почти адиабатический, но интервал времени, в течение которого может произойти самовоспламенение, уменьшается.

Информации о таких камерах сгорания мало, а статистические данные о распространении пламени, полученные на экспериментальных двигателях могут оказаться не подходящими.

Однородность топливного заряда. Топливовоздушная смесь должна быть настолько однородной, насколько это возможно для многоцилиндровых двигателей, поскольку при случайном обогащении смеси в некоторых цилиндрах может наблюдаться детонационное сгорание, при этом они будут воспринимать значительные нагрузки. Однородность смеси может достигаться с помощью незначительного подогрева воздуха на входе, если он не ухудшает антидетонационных показателей. Справедливость этого утверждения подтверждается появлением детонаций в двигателях многих автомобилей США при испытаниях на токсичность, в процессе которых топливная смесь подогревается.


 

Температурные режимы двигателя. Основным правилом, которого придерживаются разработчики двигателей, является создание условий для начала процесса сгорания как можно ближе к выпускному клапану с тем, чтобы ограничить область последней части заряда холодной частью камеры сгорания, куда охладитель поступает с наиболее низкой температурой. Нагрев воздуха на входе при постоянной степени сжатия способствует уменьшению предельного антидетонационного значения плотности воздуха, в то время как повышение температуры последней части заряда вследствие увеличения степени, сжатия почти не влияет на эту величину, поскольку для обеспечения максимального крутящего момента требуется позднее зажигание. Более позднее зажигание влечет за собой уменьшение времени задержки воспламенения последней части заряда, компенсируя таким образом повышение температуры.

Измерение температуры последней части заряда во время рабочего цикла двигателя является сложной задачей. Оно осуществляется с помощью метода двухволновых инфракрасных излучений и метода поглощения ультрафиолетового излучения бензола. Оба эти метода свидетельствуют об экзотермичности предпламенных процессов.

Остаточные газы. Количество остаточных газов в свежем топливном заряде является очень нестабильной величиной, которая зависит от степени сжатия, перекрытия клапанов, частоты вращения коленчатого вала двигателя и особенностей систем впуска и выпуска. Этот вопрос достаточно подробно изучен в связи с исследованием систем рециркуляции отработавших газов. Присутствие остаточных газов способствует уменьшению скорости распространения пламени и температуры, но приводит к увеличению толщины пристеночных слоев и температуры топливного заряда.

Ясно, что любые изменения количества остаточных газов в цикле могут оказать влияние на процесс сгорания и параметры состояния последней части заряда, однако этот вопрос изучен мало.

Активные центры, сохранившиеся в остаточных газах, могут способствовать развитию предпламенных реакций, особенно при выключенном двигателе и при неполном перемешивании остаточных газов. Этот эффект был использован при исследовании двухтактного двигателя после выключения зажигания.

 

 


 

С момента первых наблюдений детонационного сгорания и до настоящего времени было выдвинуто множество различных теорий о происхождении этого явления, однако можно сказать, что даже и сейчас оно не получило достаточно полного объяснения. Это и не удивительно, поскольку само явление существенно изменилось: от детонации в «длинных» камерах сгорания со степенью сжатия 4 : 1 до детонации в «коротких» компактных камерах со степенью сжатия 14 : 1.

Общепринято считать, что детонационное сгорание представляет собой быстрое сгорание последней части заряда, приводящее к локальному повышению давления. Перемещение этого высокого давления возбуждает колебания газов в камере, результатом которых может быть возникновение ударных волн или резонанс с собственными колебаниями (газа) в камере.

В тридцатые годы многочисленные теоретические исследования детонационного сгорания оформились в виде двух научных теорий — теории детонации и теории самовоспламенения. В соответствии с первой теорией считается, что по какой-то причине движение фронта пламени при его приближении к зоне последней части топливного заряда резко ускоряется, скорость достигает скорости звука и топливовоздушная смесь, находящаяся в этой зоне, сгорает очень быстро. Скачкообразный рост давления в результате этого быстрого сгорания возбуждает колебания газов.

В соответствии с другой теорией утверждается, что последняя часть топливного заряда, находящаяся в зоне сгорающей последней части заряда, подвергается воздействию высоких температур, в результате чего в ней начинаются предпламенные реакции. Эти реакции являются причиной самовоспламенения смеси, которое, по-видимому, происходит одновременно в нескольких местах. Быстрое сгорание перед фронтом пламени приводит к образованию импульса давления, в результате чего начинаются колебания газов.

 

 


 

Перед рассмотрением этих теорий целесообразно несколько слов сказать о зоне последней части заряда, где происходит детонационное сгорание. Удивительно, но, как свидетельствуют следы выкрашивания металла и эрозии, эта зона ограничена небольшим участком на периферии камеры сгорания. Иногда следы выкрашивания наблюдаются в нижней части гребня поршня над канавкой поршневого кольца, а иногда в канавке поршневого кольца, ситуация в этих областях усугубляется повышением давления при пульсациях газов.

Последнему обстоятельству противоречит детонационная теория прямого излучения, хотя еще раньше несостоятельность этой теории была показана спектроскопическим методом.

В научных экспериментах автора при очень интенсивной детонации в двигателе с диаметром цилиндра 3 дюйма (7,6 см) (с дисковой камерой сгорания) на поршне образовался «след» в центре диаметром всего лишь 0,25 дюйма (0,6 см). Наиболее интенсивное вихревое движение заряда, достигаемое при использовании клапана с повернутой на 180° осью, способствовало лишь смещению этого следа к краю поршня. Качественным подтверждением служат результаты испытаний по определению концентрации продуктов предпламенных реакций (перекисей и альдегидов). При уменьшении интенсивности детонации их концентрация уменьшалась лишь в последней части топливного заряда, имеющей форму полусферы радиуса 0,15 дюйма (0,38 см). Эти результаты говорят о том, что при умеренной и сильной детонациях в детонационном сгорании участвует лишь 2—3 % топливного заряда. Карри приводит сведения, что при детонации капсулы азида свинца (с энергией, составляющей 10 % энергии топливного заряда) в камере сгорания в районе ВМТ давление повышается значительно больше, чем при сильной детонации во время сгорания смеси.

Последняя часть топливного заряда представляет собой по-видимому, очень тонкий слой газа, заключенного в зазорах, около холодной стенки камеры сгорания и в других аналогичных местах. Исключением является случай, когда последняя часть заряда в центре камеры сгорания находится между двумя фронтами пламени, но такое встречается очень редко.

Температура стенки камеры сгорания имеет, очевидно, большое значение для возможности самовоспламенения последней части заряда; однако гораздо более неопределенным является другой фактор, также имеющий большое значение, а именно, состав последней части заряда, поскольку свежая смесь перемешивается с остаточными газами, углеводородами у стенок и масляным туманом. Указанные факторы, несомненно, способствуют статистическому характеру изменения параметров процесса детонационного сгорания.

 

 


 

Явление детонации в трубах привлекло внимание физиков задолго до обнаружения детонации в двигателях. Характерными особенностями этого явления были увеличение начальной скорости распространения пламени, мгновенный переход к сгоранию с очень высокой скоростью и возникновение ударной волны при непрерывном поступлении горючей смеси. Особенности явления детонации удалось выяснить с помощью шлиренметода. Когда было показано, что детонационный стук возникает на заключительном этапе движения фронта пламени в камере сгорания, сходство его с явлением детонации, казалось бы, исчезло. Однако следует иметь в виду возможность того, что при наличии благоприятных условий нормальный процесс сгорания может ускоряться, внезапно охватывая с детонационной скоростью последнюю часть заряда, в результате чего может образовываться ударная волна, отражающаяся от стенок камеры сгорания с резонансной частотой.

Для малолитражных и средних по рабочему объему автомобильных двигателей резонансная частота детонационного стука зависит от многих факторов, она может меняться от 2 до 10 кГц, а скорости детонации газов в камере сгорания могут принимать значения от 2000 до 7000 фут/с (600—2100 м/с). Специалисты из НАСА, используя метод высокоскоростной фотографии, пришли к выводу, что реакции дегонационного сгорания происходят со скоростями порядка 5000 фут/с (1500 м/с), т. е. в сверхзвуковой области и, вероятно, сопровождаются возникновением детонационной волны. Они наблюдали очаги самовоспламенения в различных местах зоны последней части заряда, сопутствующие началу реакций детонационного сгорания.

В ряде превосходных опытов Уидроу и Рассуилер сфотографировали реакции детонационного сгорания в двигателе с головкой цилиндров с односторонним нижним расположением клапанов и показали, что в ряде отдельных мест перед фронтом пламени происходило самовоспламенение. Реакция детонационного сгорания проходила почти мгновенно, в то время как скорость движения фронта пламени никогда не превышала 300 фут/с (90 м/с). Путем сопоставления сделанных в различные моменты времени снимков с диаграммой давления они показали, что колебаниям величины давления газа при детонационном сгорании соответствуют ударные волны на фотографиях пламени, частота этих колебаний соответствовала частоте детонационного стука, которая для этого двигателя с односторонним расположением клапанов равнялась примерно 3500 Гц.


 

Детонационные волны давления вызывают свечение продуктов сгорания вследствие адиабатического нагрева и их повторную ионизацию, так что обычный спад ионизации сопровождается колебаниями с характерной для детонации частотой. Сравнивая потоки ионов за настоящей детонационной волной с потоками после детонационного сгорания, можно установить, что последние составляют лишь 10 % от первых, и в соответствии с этим скорость детонационного сгорания имеет порядок 500 фут/с (150 м/с).

Наибольшая известная скорость распространения пламени в камере сгорания равна 1200 фут/с (360 м/с), она была замерена ионными зондами Карри. Однако это необычно высокая скорость, чаще она составляет 300—600 фут/с (90—180 м/с). Таким образом, нет никаких оснований считать, что скорость распространения нормального пламени возрастает до скорости звука в металле (2000 фут/с (600 м/с)), такая скорость может быть достигнута лишь при детонационном сгорании последней части заряда в самом конце процесса сгорания, наблюдать ее невозможно, так как последняя часть заряда представляет собой тонкий слой газа. Ряд специалистов считает, что детонационные колебания могут вызвать лишь перепады давления, обусловленные увеличением нормальной скорости распространения пламени в 5—10 раз.

Нет никаких фактов, подтверждающих, что даже в длинных камерах сгорания большого объема с односторонним нижним расположением клапанов возникает детонация, аналогичная детонации в трубах. Возможно, что детонационное сгорание сходно с детонацией до начала образования детонационной волны, которая у стенки превращается в звуковую волну. Не все топливные смеси, которые детонируют в двигателях, проявляют склонность к детонации в трубах, а тетраэтиловый свинец очень мало влияет на детонацию в трубах. Это обстоятельство делает теорию детонации еще более уязвимой.

 

 


 

Г. Р. Рикардо предложил для объяснения процесса детонационного сгорания теорию самовоспламенения, основываясь на результатах экспериментальных исследований, осуществленных на машине быстрого сжатия его коллегами. То, что топлива могут с большим или меньшим трудом воспламеняться

при сжатии, хорошо известно, причем топлива с хорошими антидетонационными свойствами имеют меньшую склонность к воспламенению от давления. Хотя сжатие газов поршнем не может привести к самовоспламенению бензиновой смеси, совместное сжатие поршнем и фронтом пламени — может. Если бы удалось обнаружить перед фронтом пламени продукты частичного окисления топлива (например, формальдегиды), то самовоспламенение можно было бы считать доказанным.

Исследуя процесс сгорания в «бомбах», Тауненд получил диаграммы, характеризующие давление и температуру воспламенения парафиновых топлив, на которых имеются две области: область воспламенения при высоких температурах и так называемый полуостров низкотемпературного воспламенения. В низкотемпературной области воспламенение является двухстадийным процессом. Первая стадия представляет собой период задержки до прохождения холодного пламени при температуре около 350 °С. Вторая стадия характеризуется отрицательным коэффициентом скорости и заканчивается самовоспламенением.

В высокотемпературной области процесс воспламенения одностадийный, охватывает период до самовоспламенения, холодного пламени нет. У таких топлив, как бензол и метан, воспламенение представляет собой одностадийный высокотемпературный процесс.

Холодное пламя представляет собой хемилюминесценцию, обусловленную возбуждением формальдегида во время реакции окисления топлива и его релаксацией в основное состояние. В испытаниях по течению газа с постоянной скоростью можно получить устойчивое холодное пламя, что позволяет исследовать продукты предпламенных реакций. В их составе обнаружены альдегиды, органические перекиси и перекись водорода. Бергойн показал, что полная концентрация перекиси претерпевает разрыв при прохождении холодного пламени.

На процесс образования холодного пламени очень сильно влияет структура углеводородов. Так, холодное пламя достаточно быстро образуется в n-парафинах, а парафины с разветвленными цепями оказываются более стойкими. В олефинах свечение холодного пламени еще меньше и индукционный период больше. В бензолах холодное пламя не образуется, а в других ароматических углеводородах его свечение едва заметно. Попытки установить взаимосвязь между интенсивностью холодного пламени, выделением теплоты и продолжительностью индукционного периода и октановым числом успеха не имели. Тауненд, однако, показал, что для ряда парафиновых топлив их упорядоченность по величине октановых чисел совпадает с упорядоченностью по величинам максимального давления воспламенения в «низкотемпературной» области.


 

Присутствие тетраэтилсвинца не влияет на длительность индукционного периода холодного пламени, но существенно увеличивает продолжительность второй стадии воспламенения.

О механизме окисления и самовоспламенения углеводородов при участии свободных радикалов довольно быстро было получено много экспериментальных данных. Они были критически рассмотрены Йостом и сравнены с данными для двигателей. Их сходство оказалось поразительным, несмотря на то что температуры и давления в двигателе выше, а время задержки гораздо меньше.

Двигатель очень удобно использовать для исследования самовоспламенения оптическим методом, методами отбора газов и введения различных добавок.

Вопросы связи определяемых моторным и исследовательским методом октановых чисел с молекулярной структурой углеводородов очень сложны, их обсуждение выходит за рамки данной главы. Вопросы очистки и классификации, а также определения октановых чисел смесей и оценки чувствительности углеводородов к свинцу составляют предмет долгосрочной программы исследований, проводимых Американским нефтяным институтом. Образование свободных радикалов у молекул рассматривалось в связи с количеством первичных, вторичных и третичных атомов углерода, вероятность продолжения реакции убывает в отношении, пропорциональном их количеству.

О корреляции между величиной октанового числа и химическим строением топлива было сообщено Бердом. Это интересный вопрос, но он еще должен получить подтверждение.


 

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОНЫ ПОСЛЕДНЕЙ ЧАСТИ ЗАРЯДА И САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ

Отбор газов из последней части заряда с целью выявления продуктов предпламенных реакций. Многие исследователи считали, что вследствие своей неустойчивости органические перекиси должны участвовать в реакциях детонационного сгорания, и, таким образом, их присутствие может свидетельствовать о протекании предпламенных процессов. Эджертон для обнаружения перекисей в последней части заряда отбирал пробы газов с помощью механического клапана. С помощью электромагнитного клапана и усовершенствованных аналитических методов оказалось возможным исследовать наличие перекиси и альдегида в последней части заряда изопарафинового топлива. Приведенные на этом рисунке кривые ясно указывают на двухстадийный характер процесса; видно, что количество перекисей увеличивается до достижения предельных условий, соответствующих детонационному сгоранию, и что наличие свинца влияет на количество перекисей; на второй стадии процесс заметнее, чем на первой.

В отобранных пробах газов органические перекиси присутствовали лишь в виде следов, все перекиси представляли собой практически полностью перекись водорода. Аналогично было показано, что основным альдегидом является формальдегид.

При отборе проб во время одностадийного воспламенения при высоких температурах таких топлив, как бензол и толуол, перекисей обнаружено не было.

Нарушения процесса сгорания от цикла к циклу серьезно затрудняют отбор газов для исследования, поскольку он должен производиться в течение периода времени, соответствующего повороту коленчатого вала, всего лишь на 15°. Однако Дэвис и др., исследуя пробы газов, показали хорошее соответствие результатов, полученных для работающих двигателей и для двигателей, приводимых в движение от другого двигателя.

Исследования влияния различных добавок на работу двигателя. Химическую природу процесса самовоспламенения последней части заряда можно выяснить, изучая влияние различных добавок на детонационное сгорание разных топлив. Добавки могут по-разному влиять на реакции, предшествующие самовоспламенению. Добавление органических радикалов благоприятствует детонационному сгоранию, увеличивая количество активных центров цепной реакции. Так, диазометан, образующий радикалы метилена при нагреве, и диэтилртуть, образующая радикалы этилена, способствуют детонационному сгоранию. Большие молекулы, как, например, молекулы йода, обладают антидетонационным действием, поскольку они прерывают цепную реакцию в газообразной фазе. Антидетонационным действием обладают также и другие большие молекулы, присутствующие в виде многовалентных окислов со слабой летучестью таких веществ, как свинец, железо, никель, магний и олово.


 

Тетраэтиловый свинец, однако, может способствовать детонационному сгоранию топлив, в которых не наблюдается двухстадийного воспламенения, т. е. образования радикалов этилена.

Анилин и его производные, такие как Af-метил анилин, являются хорошими антидетонационными добавками благодаря их реагированию с цепями на первой стадии до образования холодного пламени. Для «высокотемпературных одностадийных» топлив они способствуют детонационному сгоранию. Подробный анализ влияния на детонационное сгорание беззольных органических молекул проведен компанией «Шелл».

По результатам исследования влияния различных добавок на низко- и высокотемпературное воспламенение Уолш выделил формальдегид и двуокись азота, как два наиболее характерных показателя, видов воспламенения углеводородов. Формальдегид, также как и двуокись азота, способствует детонационному сгоранию высокотемпературных топлив. При двухстадийном воспламенении формальдегид способствует задержке образования холодного пламени и в целом оказывает незначительное Действие, в то время как двуокись азота слабо прерывает цепные реакции на первой стадии и способствует окислению на второй, в целом незначительно способствуя развитию детонации.

Влияние этих добавок на большую часть парафиновых и нафтеиновых моторных топлив соответствует их влиянию на процесс двухстадийного воспламенения в низкотемпературной области в лабораторных условиях, что свидетельствует об одинаковой химической природе самовоспламенения и детонационного сгорания.

Двигатели, приводимые в движение от другого двигателя, и холодные пламена. Предпламенные реакции довольно несложно воссоздать в двигателях, приводимых в движение от другого двигателя, и нетрудно продемонстрировать их двухстадийный характер. Измеряя температуру, можно также выявить экзотермичность предпламенных реакций.

Первые визуальные наблюдения холодных пламен в двигателях, приводимых в движение от других двигателей, были осуществлены Пелетиером и др. в 1939 г. Созданные после второй мировой войны фотоувеличители позволили построить кривые, характеризующие условия, при которых образуется холодное пламя.


 

 

СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ

Общие положения. С момента открытия в 1921 г. Томасом Миджли антидетонационного действия тетраэтилового свинца много внимания было уделено поиску заменителей, по возможности беззольных. Критерию беззольности удовлетворяют, по-видимому, лишь анилины, но эффективность их антидетонационного действия составляет лишь 1 % от эффективности тетраэтилового свинца. Конец поискам «бездольных» заменителей был положен исследованиями компании «Шелл».

Некоторые органические вещества, такие как, например, ацетат трибутил, обладают, подобно тетраэтиловому свинцу, антидетонационным действием.

Поиски органо-металлических антидетонаторов были несколько более успешными, и все они, как и предсказывал Эджертон, представляли собой соединения металлов с окислами.

Одновременно с тетраэтиловым свинцом исследовался тетраметилсвинец, но от него пришлось отказаться по причинам токсичности и испаряемости, однако благодаря испаряемости он опять привлек к себе внимание в связи с проблемой разделения смесей во впускных трубопроводах, возникающей при применении менее испаряемого тетраэтилового свинца.

Введение Закона о чистом воздухе в 1970 г. привело к применению в выпускных системах каталитических нейтрализаторов на основе благородных металлов, которые не могут функционировать при использовании этилированных бензинов. Было высказано предположение о возможности использования ММТ с целью возмещения потери нескольких единиц октанового числа в связи с изъятием тетраэтилового свинца. Магний в отработавших газах не является, в противоположность свинцу, токсичным веществом, он не представляет опасности для человека благодаря своему широкому распространению в земной коре. К сожалению, несмотря на то, что окислы магния слабо воздействуют на работу катализаторов, они оказывают разрушительное действие на каналы катализаторов и свечи зажигания. По этой причине использование ММТ с неэтилированным топливом в США было запрещено.

В Европе ситуация совершенно другая. Там до сих пор широко распространено использование свинца, хотя в ФРГ его концентрация ограничена значением 0,15 г/л, а в Великобритании ограничение введено в 1985 г. Причина введения ограничения связана не столько с токсичностью отработавших газов, сколько с отрицательным влиянием свинца на окружающую среду.


 

Ухудшению экономичности при применении неэтилированного бензина уделялось много внимания. Анализ ситуации в США и ФРГ проведен Дартнеллом.

Были разработаны методы фильтрации, позволяющие уменьшить содержание свинца в отработавших газах, созданные фильтры позволяют улавливать до 50 % (70 % в городских условиях) свинца.

Разработаны также методы нейтрализации с помощью благородных металлов отработавших газов при применении бензинов, содержащих 0,15 г/л свинца. Галогены-раскислители свинца (хлор, бром) участвуют в отравлении катализаторов, и при малом содержании свинца в топливе от них можно отказаться, по крайней мере в мощных европейских двигателях.

Несомненно, что применение свинца будет продолжаться во многих районах мира с малой плотностью населения, а с учетом предстоящей нехватки углеводородов он, возможно, будет применяться еще шире, хотя, вероятно, ограниченность запасов свинца будет сдерживать его применение даже в большей степени, чем токсичность.

Теории антидетонационного действия свинца. Исключительная активность свинца объясняется с помощью двух основных теорий. Обе эти теории сходятся в том, что свинец проявляет активность в составе окиси свинца, но расходятся в оценке того, в каком состоянии находится при этом окись свинца. Норриш с помощью динамической спектроскопии показал наличие большого количества молекул при моделировании антидетонационного действия свинца и убедительно продемонстрировал ингибирующее действие паров окиси свинца. Уолш, с другой стороны, при испытаниях двигателей и при лабораторных исследованиях торможения реакций окисления применял окись свинца в твердом состоянии и получил результаты в пользу теории антидетонационного действия «тумана».

Хотя в условиях детонационного сгорания РЬО может одновременно присутствовать и в аэрозольном и в молекулярном состояниях, теория «тумана» более привлекательна, и именно она получила большую поддержку.


 

Предположение о том, что частицы свинца присутствуют в зоне детонационного сгорания в виде облака частиц размером порядка 100 А (1 А= 10~10 м), впервые было выдвинуто в 1940 г.. В 1961 г. Даунз и др. с помощью тиндализации показали наличие облака в двигателе, приводимом в движение от другого двигателя, при достижении поршнем ВМТ, а частицы размером порядка 100 А были обнаружены в газах, отобранных из приводимого в движение и из работающего двигателей. В соответствии с современной теорией коагуляции времени для образования аэрозоли свинца до начала процесса детонационного сгорания вполне достаточно.

Антидетонационное действие, вероятно, заключается в каталитической дезактивации поверхности активных центров. Возможно «стимулирующее» окисление влияние, но оно было обнаружено лишь в незначительной степени у магния. Уолш считал, что РЬО нарушает стехиометрический состав смеси, в отобранных газах из двигателей, работавших на максимально восприимчивых к свинцу топливах, была обнаружена самостимулирующая активная красная окись свинца, хотя, по-видимому, антидетонационное влияние оказывают все окиси свинца. В отличие от термически неустойчивого пента-карбонила железа, свинец слабо влияет на первую стадию двух-стадийного процесса воспламенения.

Свидетельства в пользу того, что эффективность антидетонационного действия свинца обусловлена кристаллическим строением окиси свинца, не согласуются с теорией антидетонационного действия РЬО в молекулярном состоянии. Топлива, в которых холодное пламя незначительно или отсутствует, т. е. такие, как метанол, бутиловый спирт и бензол, мало восприимчивы к свинцу, а в стационарных двигателях он оказывает даже отрицательное влияние, в то время как пентакарбонил железа в таких ситуациях действует гораздо эффективнее. Обе присадки в процессе детонационного сгорания полностью разлагаются, различие их действия можно объяснить как неэффективностью разрыва цепей в процессе высокотемпературного окисления, в котором участвуют короткие цепи, так и сильным окисляющим действием этиловых групп тетраэтилового свинца. Интересно, что при заполнении камеры сгорания двигателя, приводимого в движение от другого двигателя, воздухом с тетраэтиловым свинцом без топлива, образуется развитое холодное пламя, и при степени сжатия 8 : 1 происходит самовоспламенение.

 

 


 

Нет никаких оснований считать, что в современных двигателях детонационное сгорание представляет собой явление, аналогичное наблюдаемой детонации в длинных трубах, точно также нельзя с полной уверенностью считать, что самовоспламенение последней части заряда может служить единственной причиной детонационного сгорания. Относительно спокойное происходящее с шипящим звуком самовоспламенение в двигателе, приводимом в движение от другого двигателя, подтверждает сказанное, хотя оно и происходит в более поздний момент времени. При увеличении степени сжатия с целью приближения момента самовоспламенения к ВМТ шум становится интенсивным и начинает походить на детонационный стук. Самовоспламенение в двигателе происходит подобно самовоспламенению в лабораторных условиях, но при более высоких температурах и давлениях и гораздо быстрее.

Одновременное самовоспламенение в нескольких местах последней части заряда наблюдалось Мейлом и Уидроу и Рассуилером. Это подтверждает предположение Эколза и др., что детонационное сгорание сопровождается образованием детонационной волны в последней части заряда вследствие каскадного процесса, начинающегося в небольшом числе очагов самовоспламенения. Указанное предположение, вероятно, верно (очень трудно зафиксировать подобный взрывной процесс ионными зондами), но в любом случае последнюю часть заряда можно уподобить тонкому слою сжатого газообразного взрывчатого вещества в виде дуги, охватывающей около 90° поверхности цилиндра. Последняя часть топливного заряда образует «профилированный заряд взрывчатого вещества» с энергией, достаточной для образования многократно отражающейся ударной волны.

Было бы наивно считать, что какая-либо из предложенных теорий верна в целом. На данном этапе лучше, следуя Миллеру, полагать, что рациональное зерно есть в каждой из них.

 

 


 

Работа двигателя при самовоспламенении представляет собой неритмичную, с перебоями, работу после выключения зажигания и закрытия дроссельной заслонки. Это явление наблюдается во многих испытываемых на токсичность двигателях при интенсивном подогреве подводимого воздуха и большой частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу. Работа двигателя от самовоспламенения (термин, часто употребляемый в Европе) исследовалась на примере одноцилиндрового двигателя, при этом было показано, что процесс сгорания происходит примерно лишь в одном из пяти циклов и что давление нарастает очень быстро, по-видимому, до ВМТ. Это объясняет значительную неритмичность работы двигателя и наблюдаемое иногда вращение коленчатого вала в противоположном направлении, в двигателях старых конструкций это могло приводить к разрушению коленчатых валов.

С целью разграничения явлений работы двигателя от самовоспламенения и преждевременного калильного зажигания были проведены испытания топливных смесей, которые показали отсутствие корреляции результатов оценки склонности топлив к самовоспламенению при выключенном зажигании и к калильному зажиганию, но обнаружили достаточно хорошую корреляцию с величиной октанового числа, определенного моторным методом.

Корреляция с процессом самовоспламенения от сжатия удивительна, хотя задержка воспламенения при выключенном зажигании значительно больше. В смеси практически отсутствуют остаточные отработавшие газы, но она насыщена продуктами предпламенных реакций и температура в связи с длительной задержкой воспламенения достаточно высока. В пробах отработавших газов, образующихся в результате самовоспламенения при выключенном зажигании, обнаружены альдегиды и перекиси, концентрация которых велика. В статье Бенсона, содержащей основную информацию по этому вопросу, отмечается, что количество NO в 5 раз превышало то, которое обычно выделяется на режиме холостого хода, возможно, это результат влияния высоких температур, обусловленных ранним воспламенением. Он выявил корреляцию склонности к самовоспламенению при выключенном зажигании с октановым числом, определяемым исследовательским, а не моторным методом, и не обнаружил корреляции с чувствительностью топлива. Он также показал, что высокая частота вращения коленчатого вала двигателя на режиме холостого хода, обеднение смеси и задержка зажигания благоприятствуют самовоспламенению при выключенном зажигании. Позже эта проблема в связи с исследованием влияния октанового числа и углеводородов в топливе изучалась Ингамеллзом.

Предотвратить это нежелательное явление можно несколькими способами.

1. Глушить двигатель с помощью включения сцепления высшей передачи и стояночного тормоза.

2. С помощью педали газа обогащать смесь.

3. Применять дроссельную заслонку с ручным управлением. Ни один из этих способов не может быть рекомендован для практического применения по соображениям безопасности из-за возможности полного или частичного повреждения трансмиссии при последующем пуске. Наилучшей предохранительной мерой является уменьшение частоты вращения коленчатого вала двигателя на режиме холостого хода при выключении зажигания путем закрытия дроссельной заслонки с помощью соленоида или прекращения подачи воздуха на режиме холостого хода.

Проблема самовоспламенения при выключенном зажигании сходна с проблемой самовоспламенения при пуске прогретого Двигателя на начальном этапе процесса сжатия, в результате которого двигатель может заглохнуть и повредить стартер.

Известны некоторые факты, указывающие на то, что раскаленные места могут быть причиной воспламенения смеси при выключенном зажигании в двигателях с малой степенью сжатия, но, с другой стороны, показано, что удаление нагара из Камеры сгорания не исключает самовоспламенения при выключенном зажигании.

Как будет решаться проблема самовоспламенения при выключенном зажигании, предсказать очень трудно, поскольку с целью улучшения топливной экономичности двигателей степени сжатия увеличиваются, применяются все более бедные смеси, и, кроме того, неизвестно, как будут изменяться допустимые уровни токсичности.

 

 


 

Любой процесс, при котором сгорание происходит раньше, чем это соответствует максимальному крутящему моменту, будет сопровождаться большим отводом тепла из-за совершаемой при этом отрицательной работы. Большой отвод тепла приводит к перегреву деталей двигателя, что еще более увеличивает опережение сгорания, и так вплоть до оплавления некоторых деталей. Двигатели малой теплоемкости, такие как авиационные поршневые двигатели, могут полностью выходить из строя в течение нескольких даже не минут, а секунд. Детонационное сгорание в таких двигателях сопровождается гораздо меньшим повышением температуры, что подтверждается отсутствием следов теплового воздействия на металл при повреждениях деталей двигателя в результате детонационного сгорания, которые наблюдаются при повреждениях в результате преждевременного калильного зажигания.

Местами, где происходит преждевременное калильное зажигание, являются наименее эффективно охлаждаемые детали и места: свечи зажигания, выпускные клапаны, неровности металлических поверхностей (кромки полостей в головках цилиндров или камер сгорания в головке поршня), дополнительный эффект на повышение теплового состояния этих участков поверхностей оказывает изолирующее действие нагара. В малолитражных двигателях европейских автомобилей часто причиной преждевременного калильного зажигания являются головки выпускных клапанов, особенно при отложениях на них масляного нагара со следами присадок, содержащих соединения кальция и бария. Наилучшими средствами предотвращения преждевременного калильного зажигания по этой причине являются более интенсивное охлаждение выпускных клапанов и недопущение излишнего расхода масла. Расположение выпускного клапана в промежуточном положении между искрой зажигания и зоной последней части заряда позволяет избежать как совпадения места достижения максимальной температуры пламенем с местоположением свечи зажигания, так и влияния раскаленной головки клапана на последнюю часть заряда.

Минимизировать возможность преждевременного калильного зажигания в двигателях можно такими конструктивными мерами, как правильный выбор тепловой характеристики свечи зажигания, скругление острых кромок металлических поверхностей, удаление выступов и шероховатостей и интенсивное охлаждение выпускных клапанов, клапанных седел и направляющих клапанов, очень эффективно натриевое охлаждение клапанов.

Исследование преждевременного калильного зажигания в многоцилиндровом двигателе сдерживается большими трудностями воспроизведения тепловых условий его работы в одном цилиндре. В многоцилиндровом двигателе цилиндр, в котором происходит преждевременное калильное зажигание, может быть принудительно доведен до разрушения в результате работы других цилиндров (в которых процесс сгорания происходит нормально), в то время как одноцилиндровый двигатель в подобной ситуации может просто заглохнуть. В некоторых случаях количество цилиндров ограничивается условиями предварительного калильного зажигания и детонационного сгорания.

 

 


 

Процесс достижения некоторыми участками поверхности элементов двигателя температуры, достаточной для преждевременного калильного зажигания, определяется множеством взаимно влияющих друг на друга факторов. Даунз получил много полезной «информации о преждевременном калильном зажигании, проводя испытания двух существенно отличающихся друг от друга двигателей и используя в качестве топлива бензол. Склонность циклогексана к преждевременному калильному зажиганию принималась равной нулю, а изооктана — 100.

Максимальную склонность к преждевременному калильному зажиганию все три топлива проявляли, когда смесь была примерно на 10 % богаче стехиометрической, т. е. немного беднее соответствующей максимальной мощности.

Частота вращения коленчатого вала двигателя благодаря своему влиянию на турбулентность, скорость распространения пламени и коэффициент наполнения сложным образом влияет на преждевременное калильное зажигание, тем не менее можно сказать, что для многих двигателей без наддува склонность к преждевременному калильному зажиганию увеличивается при возрастании частоты вращения вала двигателя вплоть до величины, соответствующей максимальной мощности. Однако, если узел двигателя, являющийся причиной преждевременного калильного зажигания, обладает большой теплоемкостью (например, выпускной клапан), то внезапное уменьшение частоты вращения коленчатого вала двигателя, допустим на 1000 мин-1, может вызвать преждевременное калильное зажигание вследствие увеличения задержки зажигания при сохранении высокой температуры узла двигателя благодаря тепловой инерции.

Увеличение степени сжатия вследствие увеличения теплоотдачи к накаленному участку может повысить опасность преждевременного калильного зажигания, однако, если местом калильного зажигания является выпускной клапан, то уменьшение температуры отработавших газов может привести к уменьшению температуры клапана. Опасность преждевременного калильного зажигания, вызываемого раскаленными частицами нагара, при увеличении степени сжатия, как правило, возрастает.

Увеличение угла опережения зажигания за пределы значения, соответствующего максимальному крутящему моменту, значительно влияет на температуру горячих участков, но одновременно приводит к повышению температуры нормальной работы двигателя. Когда обе эти температуры становятся одинаковыми, происходит преждевременное калильное зажигание, так что любое уменьшение отличия этих температур повышает склонность к преждевременному калильному зажиганию.

Довольно значительные изменения температуры подаваемого воздуха и температуры охладителя в двигателе мало влияют на преждевременное калильное зажигание, в частности, не обнаружено никакого влияния при применении в качестве источника калильного зажигания горячей проволочной спирали. Этот вывод может оказаться неверным в том случае, когда источниками калильного зажигания служат участки поверхности большой площади с плавно меняющейся температурой или покрытые нагаром.

 

 


 

Проведение экспериментальных исследований преждевременного калильного зажигания связано с необходимостью преодоления серьезных трудностей, обусловленных изменениями качественного состояния поверхности и формы участков, вызывающих калильное зажигание. Окисление металла и эрозия, образование и отслоение нагара, а также изменение каталитических свойств — все это делает результаты непредсказуемыми.

Испытания, при проведении которых для достижения калильного зажигания в двигателях с переменной степенью сжатия использовались холодные свечи зажигания с термопарами, приходилось прерывать, поскольку предельные значения степени сжатия, соответствующие калильному зажиганию, с образованием нагара увеличивались. Температура центральных электродов свечи зажигания с платиновыми наконечниками при работе на бедных смесях на 100 °С превышала температуру электродов с никелево-кремниевыми наконечниками, при работе на богатых смесях температура была одинаковой или даже ниже у электродов с платиновыми наконечниками, что свидетельствует о влиянии каталитических эффектов. При применении различных чистых топлив изменение температуры участков калильного зажигания обычно не соответствует изменению температуры пламени этих топлив, что также подтверждает каталитическое действие поверхностей участков калильного зажигания.


 

Температура воспламенения метанового топлива у платиновой поверхности, как было установлено в опытах, выше температуры воспламенения у поверхностей неблагородных металлов. При проведении исследований стойкости топлив к преждевременному калильному зажиганию возможен выбор: либо путем изменения какой-нибудь характеристики режима работы двигателя (степени сжатия или наддува) довести температуру участка калильного зажигания при нормальной работе двигателя до величины, превышающей температуру воспламенения смеси, либо при работе двигателя с охлаждаемым участком калильного зажигания, не изменяя условий работы двигателя, повышать температуру этого участка за счет снижения интенсивности охлаждения или в результате электрического подогрева.

В первом случае возникает опасность изменения свойств поверхности в результате тепловых воздействий или изменения их каталитических свойств, а во втором случае имеется возможность отложения нагара на охлаждаемом участке. После экспериментальной проверки обеих этих способов Даунз остановился на охлаждаемой воздухом пробке из нимоника для наддуваемых двигателей и на служащей термопарой спирали из жесткой двойной проволоки (нагреваемой электрически) для двигателей, работающих без наддува. Важным, однако, оказался выбор материала проволоки, при использовании одного из сплавов (содержащего 40 % никеля) наблюдались аномальные температуры, появление которых было обусловлено каталитическим действием окиси никеля. Единственно удовлетворительным материалом для проволоки оказался канталовый алюминий.

Арригони таким же способом исследовал преждевременное калильное зажигание, не изменяя температуры, наличие или отсутствие калильного зажигания устанавливалось им по результатам статистической обработки диаграмм давления.

Было замечено, что температура преждевременного калильного зажигания от больших пробок меньше температуры калильного зажигания от проволочной спирали, это связано с тепловой инерцией или с величиной площади поверхности калильного зажигания.


 

Каталитическое «преждевременное калильное зажигание» применялось в дизельном двигателе с малой степенью сжатия (момент зажигания определялся моментом впрыска топлива). Топлива легко воспламенялись от платиновых проволок или покрытых платиной проволок из неблагородных металлов.

Преждевременное калильное зажигание от нагара, образующегося при использовании во время движения в городских условиях этилированных топлив, было одной из основных проблем в послевоенные годы (после второй мировой войны). Нагар состоял из солей свинца и углеродистого материала, он мог вследствие тряски отрываться от поверхности, накаляться и тлеть при температуре 350 °С. Средством против этого было добавление в топливо органического фосфата. Фосфат свинца в отличие от бромида свинца не способствовал сгоранию углерода.

В Европе проблема преждевременного калильного зажигания связана с отложением масляного нагара на головках выпускных клапанов. Большую роль играют при этом соли кальция и бария, влияние соединений свинца менее значительно.

Одним из путей решения этой проблемы является регулирование расхода масла, но в перспективе может возникнуть необходимость пересмотра применяемых металлических присадок.

 

 


 

Значения температуры горячих мест в камере очень сложным образом зависят от количества теплоты, подводимой к ним в процессе сгорания, и от потерь теплоты в процессе осуществления всех четырех тактов цикла. На тепловой баланс влияют форма, размеры, материал горячего места и теплоотдача от него, а также температура пламени, скорость его движения и турбулентность в окрестности раскаленного участка. Немаловажное значение имеет и местоположение этого участка на траектории движения пламени.

Попытка оценить роль этих факторов для ряда чистых топлив была предпринята Гуибетом. Сравнительная оценка влияния температуры и скорости движения пламени на температуру горячих участков при нормальной работе показала, что более существенное значение имеет влияние скорости распространения пламени. Топлива с высокими температурой и скоростью распространения пламени, такие как бензол и кумол, проявляют повышенную склонность к преждевременному калильному зажиганию, но такая связь этих характеристик не является универсальной, в частности, толуол, который очень стоек к преждевременному калильному воспламенению, характеризуется достаточно высокими значениями температуры и скорости распространения пламени. Удаление участка перегрева от траектории движения пламени может привести в некоторых случаях к снижению его температуры на 100 %. Гуибет пришел к выводу, что существенное уменьшение склонности моторного топлива к преждевременному калильному воспламенению экономически нецелесообразно.

Даунз исследовал большое количество топлив на склонность к преждевременному калильному воспламенению и детонационному сгоранию, не обнаружив никакой зависимости между ними, что согласуется с результатами других исследователей.

Тетраэтиловый свинец повышал стойкость к преждевременному калильному воспламенению почти всех топлив, если испытания были кратковременными, на стенках не образовывался нагар и материал поверхности не претерпевал химических превращений. Влияние свинца, однако, было гораздо меньше его влияния на октановое число топлив.

Испытания ряда компонентов бензина (чистых углеводородов) показали, что наиболее стойкими к преждевременному калильному воспламенению являются, как правило, олефины. На шкале циклогексан-изооктан гексан-2 оценивается числом —26, а т-ксилол — числом 131. При образовании смесей из чистых топлив получающаяся калильная характеристика может быть вычислена с учетом пропорционального содержания отдельных компонентов.

Применение этих результатов к общедоступным топливам подтверждает, что различные модификации состава топлива могут лишь незначительно уменьшать опасность преждевременного калильного зажигания. Результаты исследований показывают, что обладающие большей температурной чувствительностью топлива, которые воспламеняются одностадийно в области высоких температур и у которых холодное пламя незначительно или не возникает совсем, проявляют, как правило, большую склонность к преждевременному калильному воспламенению.

Применение тех же самых присадок, которые использовались при исследовании процесса самовоспламенения. Для исследования преждевременного калильного зажигания в двигателе послужило толчком к некоторым теоретическим обобщениям, которые часто рассматриваются в контексте общей теории процессов сгорания.

С появлением двигателей с высокими эксплуатационными характеристиками, работающих в тяжелых температурных условиях, с применением обладающих повышенной склонностью к калильному воспламенению топлив (содержащих ароматические соединения, олефины, метанол) и возникновением серьезной проблемы высокооборотной детонации настало, вероятно, время пересмотра экспериментальной оценки склонности топлив к аномальным процессам сгорания и поиска методов испытаний, теснее связанных с современными проблемами.

 

 


 

Требования, обусловленные особенностями системы двигатель — очистка нефти — сырая нефть. До введения жестких требований к выделениям NO наиболее распространенным методом снижения токсичности было применение бедных смесей. Этот подход, в частности, реализован в системе фирмы «Крайслер», обеспечивающей качественное приготовление смеси и электронное управление опережением зажигания.

В США от этой системы отказались, но в последнее время ей стало уделяться значительное внимание в Европе, частично с целью снижения токсичности и частично с целью повышения экономичности малолитражных двигателей с высокой степенью сжатия.

Требования уменьшения опасности возникновения детонационного сгорания в двигателях с высокой степенью сжатия могут противоречить требованиям снижения токсичности, и если раньше в основном использовались высокосортные топлива, то в настоящее время любые мероприятия по достижению оптимальной степени сжатия в двигателях должны осуществляться с учетом доступности требуемых топлив. Действительно, если бы топливо с определенным исследовательским методом октановым числом 105 было экономически доступно, то многие проблемы исчезли бы и объемный и массовый расход топлива были бы минимальными. Однако немаловажной характеристикой топлива является его стоимость, которая зависит от эффективности использования сырой нефти. Тирни и др. показали, что при соответствующем 1975 г. уровне технологии двигатели с искровым зажиганием b предварительным приготовлением смеси из-за высоких требований к октановому числу топлива являются наименее эффективными потребителями сырой нефти. Компания «Шелл», рассматривая двигатель и установку очистки нефти как единую систему, пришли к выводу, что при 0,4 г/л свинца в топливе оптимальные октановые числа, определенные исследовательским методом, равны 96—97, а для неэтилированных бензинов они равны 92—93.


 

Позже аналогичные выводы были сделаны в Европе группой RUFIT (CONCAWE). Если в качестве исходного значения определенного исследовательским методом октанового числа при концентрации свинца 0,4 г/л принять 96, то оптимальным значением при 0,15 г/л будет 95 при потере 2 % сырой нефти, для неэтилированного бензина 92 при потере 5 % сырой нефти.

Выполнение требований по токсичности, предъявляемых в США Законом о чистом воздухе, предполагает использование неэтилированного бензина для обеспечения возможности применения каталитических нейтрализаторов на основе благородных металлов. В настоящее время доступным стал сравнительно недорогой неэтилированный бензин с определенным исследовательским методом октановым числом, равным 91, однако при его применении в процессе испытаний автомобилей на токсичность часто наблюдаются начальные признаки детонационного сгорания. Результатом этого является потребность увеличения октанового числа топлива, хотя некоторые водители сейчас чаще, чем раньше, допускают легкий детонационный стук. Вероятно, конструкторы с учетом недостатка знаний о фактических повреждениях двигателей при детонационном сгорании, а также с учетом хорошей звукоизоляции двигателей в современных автомобилях излишне опасаются приближения к условиям, соответствующим возникновению детонационного сгорания.

При условиях отказа от применения антидетонационных присадок и повышения эффективности процесса очистки нефти в последующие годы широкого использования топлив нефтяного происхождения основным, по-видимому, будет бензин с определенным исследовательским методом октановым числом, равным 93. По мере распространения получаемых из каменного угля насыщенных ароматических соединениями топлив опять появится возможность увеличения октанового числа до 100, а если на топливном рынке появится метанол, получаемый из каменного угля, то возможно, будет увеличение октанового числа до 100—110, в зависимости от необходимости применения дополнительных устройств (например, для введения 5 % пентанов при пуске).

Само собой разумеется, что любое существенное достижение в Двигателестроении потребует переоценки эффективности системы Двигатель — нефтеочиститель — сырая нефть и выявления новых оптимальных характеристик топлива.

Приготовление топливовоздушной смеси. Для работы двигателя в условиях, близких к условиям начала детонационного сгорания, важно, чтобы коэффициент избытка воздуха во всех цилиндрах был одинаковым. В карбюраторных двигателях и в двигателях, у которых смесь образуется во впускном трубопроводе практически невозможно добиться равномерного распределения жидкого топлива и его паров. Неравномерное распределение смеси может стать причиной детонационного сгорания при работе двигателя на бедной смеси, поскольку в одном или нескольких цилиндрах отношение количества воздуха к количеству топлива может достичь значения, соответствующего максимальной для детонационного сгорания концентрации топлива в смеси. Кроме того, тетраэтиловый свинец (с точкой кипения 200 °С) и стойкие к детонационному сгоранию фракции топлива (кипящие при 100—200 °С) частично отделяются от более легких углеводородов (кипящих при 30—100 °С), у которых октановое число, определенное исследовательским методом, меньше; оно называется октановым числом при 100 °С, или октановым числом первой части смеси.


 

Действенным средством против указанного явления мог бы быть впрыск топлива за впускным клапаном или непосредственно в цилиндр, но это может потребовать значительных затрат мощности на работу насоса и поэтому не всегда является наилучшим решением проблемы. Одним из препятствий на пути отыскания лучших топливных смесей в прошлом было отсутствие безынерционных средств контроля состава отработавших газов и непосредственного определения значений коэффициента избытка воздуха. В настоящее время это препятствие преодолено. Обычные карбюраторы и простые системы впуска не позволяют обеспечить нормальное сгорание при значениях отношения количества воздуха к количеству топлива в смеси, превышающих 17 : 1. Для достижения отношения 22 : 1 необходимо использовать полностью испарившееся или распыленное топливо. Эта возможность обеспечивается применением ряда систем, наиболее распространенными из которых являются карбюраторы с переменным сечением диффузора, примером может служить система «Дрессерейтор». В системах такого типа избегают изменения направления потока смеси с помощью дроссельной заслонки, роль дросселя обычно выполняет золотник, изменяющий проходное сечение потока, который движется со звуковой скоростью.

Сравнение различных схем приготовления смесей показало, что такой карбюратор обеспечивает наилучшее перемешивание заряда топливной смеси. В качестве дросселя, формирующего поток, движущийся со звуковой скоростью, можно использовать впускной клапан, подъем которого регулируется с помощью педали.

Другим распространенным методом получения однородного заряда топливной смеси является подогрев впускного трубопровода. Одним из первых устройств такого типа был «горячий ящик» корпорации «Этил». Еще одна интересная идея заключается в использовании теплоты отработавших газов для подогрева теплообменника, расположенного между карбюратором и впускным трубопроводом.


 

Устройство для непрерывной подачи однородной топливо-воздушной смеси к двигателю или автомобилю на динамометрическом стенде описано в работе. С помощью горячего масла бензин очень быстро испаряется и в зависимости от температуры, которая определяется скоростью подачи тепла, либо переходит в аэрозольное состояние (размеры частиц <10 мкм), либо остается испаренным. Это устройство позволит определить истинный предел допустимого объединения смеси для исследуемого двигателя, достижимую величину удельного расхода топлива и возможности уменьшения токсичности.

Несмотря на то, что множество фактов свидетельствует о возможности расширения пределов допустимого обеднения смесей при однородности топливного заряда, известно, что в безвихревой камере сгорания с относительно невысокой степенью сжатия распыление топливного заряда позволяет добиться большего эффекта. Причиной этого может быть незначительное расслоение заряда. Результаты исследования в качестве топлива распыленного керосина показывают, что наиболее широкие пределы воспламеняемости соответствуют топливу в дисперсном состоянии, а не полностью испаренному.

Ясно, что проблема приготовления топливного заряда нуждается в дальнейшем исследовании в связи с проблемой детонационной стойкости двигателей с высокой степенью сжатия. Для послойно разделенных зарядов интерес представляют октановые числа первых частей смесей, другой не менее интересной проблемой является проблема подачи последней части смеси с высоким октановым числом в зону последней части заряда в безвихревой камере сгорания.


 

Зажигание. С появлением электронных систем зажигания, бесконтактного пуска и регулирования момента подачи искры многие проблемы, связанные с нарушениями процесса сгорания на начальном этапе, отпали. Появились оптимальные по конструкции свечи зажигания с увеличенными искровыми промежутками для работы на бедных смесях. Применение нескольких свечей зажигания увеличивает скорость сгорания и уменьшает путь движения пламени, улучшая таким образом топливную экономичность и препятствуя детонационному сгоранию. В испытаниях по исследованию количества и состава отработавших газов применялись до пяти свечей зажигания, но обычно лишь в авиационных двигателях используются две свечи зажигания. В двигателях с послойным распределением топливного заряда применяется только многократная подача искры.

Проявление наружных «болтовых» детонационных датчиков типа датчиков ускорений позволило разработать системы, осуществляющие задержку зажигания при появлении признаков детонационного сгорания. Благодаря применению этих систем можно на одну единицу повысить степень сжатия, понизить требования к определяемому исследовательским методом октановому числу на 10 единиц и за счет этого на 6 % сократить расход топлива при условии, однако, допущения водителем некоторых признаков детонационного сгорания.

Пока еще невозможно регулировать степень сжатия, используя сигнал обратной связи, но можно регулировать проходное сечение турбонагнетателя для уменьшения наполнения цилиндра в случае появления признаков детонационного сгорания. Это позволяет изменять плотность заряда при неизменной форме камеры сгорания.

Системы пассивного управления, при работе которых используется заложенная в память информация, распространены достаточно широко, но они не позволяют исключить влияние изменения качества топлива. Эти системы, однако, могут использоваться совместно со сложными системами регулирования токсичности отработавших газов.


 

Возрастание требований к октановому числу топлива. При эксплуатации двигателей в обычных условиях требования к октановому числу по мере увеличения пробега, как правило, возрастают. Так, после 10 тыс. миль (16 тыс. км) пробега в смешанных городских и загородных условиях требования к октановому числу могут возрасти на 3—7 единиц. Обычно стремятся к тому, чтобы для нового двигателя требовалось топливо с октановым числом, на 3—5 единиц меньшим, чем у штатного топлива, это позволяет скомпенсировать последующее возрастание требований, ведущее в масштабах всей страны к большому перерасходу бензина. Возрастание требований к октановому числу объясняется многими причинами: частично изменениями массы и состава нагара, частично изменениями условий теплоотдачи и рядом других неизвестных причин. Важную роль играет также влияние на количество и состав нагара повышенного расхода масла.

В США возрастание требований к октановому числу при использовании неэтилированного бензина более существенно, чем при использовании этилированного, а в Европе разницы почти не заметно, по-видимому, из-за более тяжелых режимов работы двигателей, при которых содержащие углерод остатки неэтилированного топлива сгорают. Требования к октановому числу топлива для двигателей, работающих на топливах с высокими октановыми числами, возрастают меньше, чем для двигателей, работающих на топливах с более низкими октановыми числами. Такая обратная зависимость наблюдается и в США и в Европе. С этим связано то обстоятельство, что возрастание требований к октановому числу для двигателей с высокой степенью сжатия, работающих при больших нагрузках, невелико.

В двигателях, работающих при нормальной эксплуатации в близких к детонации условиях, нагара откладывается мало, и возрастание требований к октановому числу при этом незначительно. Для двигателей с безвихревыми камерами сгорания, турбулентность движения смеси в которых мала, возрастание требований к октановому числу может быть большим.


 

Допустимые при производстве отклонения размеров камеры сгорания являются причиной довольно больших разбросов величины степени сжатия и, следовательно, требований к октановому числу топлива. Проходные сечения трубопроводов системы охлаждения также могут меняться в пределах допусков, результатом чего может быть увеличение в некоторых случаях температуры последней части заряда. Определенную роль играет также качество обработки поверхности камеры сгорания. Хотелось бы надеяться, что создатели двигателей, используя опыт, накопленный при производстве дизельных двигателей (для которых перечисленные факторы имеют решающее значение), добьются уменьшения допусков. Затраты на перерасход топлива из-за неоправданного уменьшения степени сжатия больше предполагаемых затрат на совершенствование производства. Беттс ввел понятие «потери октанового числа», по его оценкам средний европейский автомобиль теряет 3 единицы.

Движение заряда и конструкция камеры сгорания. Конструктор современного двигателя имеет ряд преимуществ перед конструкторами двадцатых годов, связанных с тем, что он располагает лучшими материалами и ориентируется на использование лучших топлив и масел. Однако при конструировании камеры сгорания он по-прежнему пользуется качественными представлениями о движении заряда топливной смеси и последующем распространении пламени.

Интенсивные исследования с помощью высокоскоростной кино-фотосъемки, термоанемометров и лазерных доплеровских измерителей скоростей позволили полнее изучить движение воздуха в дизельных двигателях с непосредственным впрыском топлива. Эти знания косвенно можно применить и к двигателям с искровым зажиганием, несмотря на их меньший объем и на то, что скорости движения смеси в них, как правило, выше. Наибольшее значение имеют три основных типа движения: вихревое, турбулентное и пульсирующее.


 

1. Вихревое движение. Цилиндры двигателей, по определению, являются цилиндрическими телами, а отверстия клапанов впуска почти всегда смещены относительно оси цилиндра. Понятно поэтому, что основным движением газа в процессе впуска является вихревое движение. Его наличие можно продемонстрировать, устанавливая простые лопастные колеса в двигателях, приводимых в движение от другого двигателя, а интенсивность можно примерно оценить, подсчитывая число оборотов лопасти, которое примерно равно половине фактической частоты вращения потока газа. Обычно интенсивность характеризуется отношением частоты вращения топливного заряда к частоте вращения вала двигателя.

Скотт с помощью высокоскоростной кинофотосъемки изучал вихревое движение в макете дизельного двигателя в условиях горения, наблюдая за движением характерных элементов структуры пламени. Вихревое движение нельзя считать простым вращательным движением, наблюдаемым в экспериментах с лопастными колесами. В процессе впуска скорость вихревого движения меняется при изменении скорости движения воздуха во впускном канале, и вихрь приобретает слоистую структуру, сохраняющуюся в процессе сжатия до достижения поршнем ВМТ. В окрестности ВМТ различные слои перемешиваются, что приводит к возникновению турбулентности у стенок камеры и мест резкого изменения формы. Вихревое движение в цилиндрах редко бывает осесимметричным, как правило, исследования с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости показывают наличие смещенных относительно оси вихрей.

Слишком интенсивное вихревое движение является причиной увеличения насосных потерь и потерь теплоты в цикле, что приводит к увеличению удельного расхода топлива. Оно также может быть причиной значительного, приводящего к гашению пламени увеличения скорости движения заряда в окрестности свечи зажигания. В идеальном случае вихревое движение в окрестности свечи зажигания до подачи искры должно вырождаться в мелко- или микромасштабное турбулентное движение.


 

2. Турбулентность. Это очень сложное явление, особенности проявления которого в двигателях лишь только-только начинают проясняться. До недавнего времени исследователи наблюдали его, фиксируя флуктуации скорости газа, но не измеряя их, хотя шлирен-метод фотографирования существенно способствовал расширению познаний о турбулентности.

Термоанемометрия способствовала значительному продвижению исследований турбулентности в двигателях, приводимых в движение от другого двигателя, как с искровым зажиганием, так и в дизельных, но не позволяла исследовать работающие двигатели.

Измерение скорости лазером возможно в горящих газах, но при этом нужны окна — одно при использовании метода отраженного луча и два при использовании метода прямого луча — в корпусе двигателя, установить которые в современных двигателях с высокой степенью сжатия практически невозможно.

Идея о том, что интенсивность турбулентности и ее масштаб следует изменять в процессе сгорания, возникла у Рикардо, когда он создавал одну из последних версий «турбулентной» камеры сгорания, названной амортизирующей камерой сгорания. Возникновение турбулентности приводило к нарушениям процесса воспламенения у свечи зажигания; уменьшая размеры заполненного газом объема под свечой зажигания, он добивался устойчивости распространения пламени.

Проводя исследования на машине быстрого сжатия, Мейтканас показал, что ядро пламени остается в искровом промежутке и гаснет лишь в камере сгорания с неподвижной смесью. При очень сильной турбулентности, особенно в бедных смесях, ядро пламени начинает расширяться, но затем гаснет. Даже при оптимальной турбулентности около 30 % продолжительности всего процесса сгорания уходит на формирование фронта пламени. Эта очень важная фаза процесса еще плохо изучена, так же как и влияние турбулентности (если оно есть) на поведение слоя последней части заряда.


 

3. Пульсации. Это наименование получило движение заряда в результате выталкивания его из зазора между днищем поршня и головкой блока цилиндров при приближении к ВМТ. При чашеобразной камере сгорания в поршне и ваннообразной в головке блока пульсация является радиальным движением, измерения его интенсивности дают результаты меньше ожидавшихся. Некоторые исследователи считают, что пульсации, будучи, по определению, приуроченными к моменту достижения поршнем ВМТ, возникают слишком поздно и что они слишком слабы, чтобы оказать заметное влияние. В остроумной двухпоршневой конструкции двигателя Кушуля турбулентность создается в основном цилиндре до достижения поршнем ВМТ благодаря такой установке коленчатых валов, при которой порождающий пульсации поршень движется с небольшим опережением.

Пульсации имеют большое значение для двигателей с односторонним нижним расположением клапанов, поскольку ими легче управлять благодаря большой площади сближения поршня и головки блока цилиндров. Однако многие конструкторы считают, что влияние пульсаций существенно для многих двигателей массового производства с верхним расположением клапанов, поскольку оно способствует ускорению распространения пламени уже некоторое время спустя после подачи искры, благодаря чему пламя не гасится под влиянием турбулентности.

Вероятно, большее значение, чем пульсации, имеет ускорение вихревого движения заряда вследствие сохранения момента количества движения при переносе его одновременно с возникновением пульсаций в камеру сгорания меньшего радиуса.

Некоторые практически применяемые эффективные системы. Значительное влияние на выбор конструкции головки блока цилиндров оказывают предполагаемые режимы работы, стоимость и возможность автоматизации производства.


 

В гоночных спортивных автомобилях в течение длительного времени предпочтение отдавалось конструкции, в которой четырехклапанная головка служит крышкой, с центрально расположенной свечой зажигания. Камера сгорания такой конструкции характеризуется высоким коэффициентом наполнения, малым расстоянием движения пламени, турбулентностью, образующейся в результате перемешивания двух потоков впрыскиваемой смеси, и меньшей потребностью создания пульсаций. Такая конструкция не подходит для двигателей с большой степенью сжатия, поскольку зона горения при этом становится узкой, пламя рано гасится, и сильно увеличиваются выделения углеводородов. С другой стороны, эта конструкция идеальна для двигателей с турбонаддувом, степень сжатия у которых может быть близкой к 9 : 1.

Если требуется, чтобы такой двигатель был очень мощным, то цилиндр делается таким, чтобы его диаметр превосходил ход поршня (камера сгорания имеет приплюснутую форму). Это позволяет увеличить площадь клапанных отверстий и получить высокий коэффициент наполнения при большой частоте вращения коленчатого вала двигателя и умеренной скорости движения поршня. В этом случае вследствие чрезмерной сплюснутости камеры сгорания выделения углеводородов велики и путь, проходимый пламенем, тоже велик.

Более простым решением является полусферическая камера сгорания с двумя клапанами. Потери теплоты в такой камере сгорания невелики, поскольку отношение площади поверхности стенок к объему мало, турбулентность в такой камере при вихревом движении заряда сохраняется хорошо и, кроме того, в ней отсутствуют выступающие элементы, которые могут быть местами, вызывающими преждевременное калильное зажигание.

Хорошие условия движения газов обеспечиваются наклонным расположением клапанов, но до последнего времени выпуск двигателей с такими камерами сгорания сдерживался из-за необходимости большого наклона клапанов. Компромиссным решением является размещение половины камеры сгорания в поршне при почти вертикальном расположении клапанов — двояковыпуклая камера сгорания.

Плодотворные исследования в области поисков лучших камер сгорания были осуществлены Хероном, пытавшимся реализовать максимально возможные экономичность, мощность и степень сжатия при использовании топлив, которые появились в то время (1950 г.) с октановым числом 100, определенным исследовательским методом. Он также стремился создать камеру сгорания, в которой октановые числа чувствительных топлив были как можно ближе к определенным исследовательским методом октановым числам, которые он назвал «механическими октановыми числами» (по терминологии Кеттеринга из «Дженерал моторе»).

Его исследования были сосредоточены на рассмотрении конструкции с двумя клапанами с плоской головкой цилиндра. Впускной клапан мог снабжаться специальной ширмой (для создания турбулентного потока), а днище поршня могло быть плоским или иметь центральную полость, занимающую 55 % площади и способствующую образованию пульсации (рис. 6.13). Заменяя поршни, можно было изменять величину степени сжатия от 5 : 1 до 30 : 1.


 

Наилучший антидетонационный показатель, за который принималось предельное значение плотности топливного заряда, достигался при степени сжатия 10: 1 и использовании двух способов создания турбулентности — ширма впускного клапана и чашеобразная полость в поршне, способствующая образованию пульсаций, роль которых была примерно одинаковой.

Частота вращения вала двигателя при проведении исследований принималась равной 3000 мин-1, поскольку проблемы высокооборотной детонации в 1950 г. не существовало. Камера Херона использовалась в разнообразных вариантах. Наиболее популярна чашеобразная камера сгорания в поршне. В европейских условиях необходимо особое внимание уделить конструкции поршня, с тем чтобы не допустить интенсивной отдачи тепла в область расположения колец, а также не допустить высокооборотной детонации и последующего преждевременного калильного зажигания.

Двигатель с чашеобразной камерой сгорания благодаря простоте изготовления и лучшим показателям при малой мощности вследствие пульсаций заряда иногда применялся там, где ранее традиционно использовались двигатели с полусферической камерой сгорания в головке цилиндра, в частности в спортивных автомобилях.

Аналогичные результаты можно получить, размещая полость в головке цилиндра и подводя к ней оба клапана, благодаря чему она принимает удлиненную форму. Такая камера сгорания называется ваннообразной, она обычно располагается наклонно по отношению к оси цилиндра. Благодаря наклонному Расположению камеры сгорания (иногда дно камеры выходит на плоскость головки цилиндра, и тогда она называется клиновой камерой) зона последней части заряда получается сужающейся. Эти камеры сгорания очень популярны, они позволяют при степени сжатия 11:1 использовать бензин с определенным исследовательским методом октановым числом, равным 93.

Кромки ваннообразной камеры сгорания должны тщательно профилироваться, поскольку их качество может сильно влиять на возможность детонационного сгорания в области завихрений, расположенной против свечи зажигания.

Несмотря на эффекты пульсаций и образование турбулентностей при сжатии в такой несимметричной камере сгорания, для обеспечения достаточно быстрого сгорания, которое позволило бы избежать детонации при очень высоких степенях сжатия, могут потребоваться дополнительные меры по увеличению интенсивности турбулентности.


 

Следующий шаг на пути совершенствования экономичных двигателей с высокой степенью сжатия был сделан Меем. Он считал, что двигатель мелкосерийного производства должен иметь два параллельных вертикально расположенных клапана и расположенную в головке цилиндра камеру сгорания, образуемую при литье, которая обеспечивала бы сильные пульсации смеси. Для получения значений сжатия от 13 : 1 до 15 : 1 в камере сгорания должно быть лишь одно клапанное отверстие. Мей считал, что это должно быть отверстие выпускного клапана, поскольку при расположении в этом месте отверстия впускного клапана большего диаметра поток через него ограничивался бы стенками камеры. С этим мнением согласны не все специалисты. Ограничивающее влияние стенок может способствовать образованию чрезвычайно полезной турбулентности, и, кроме того, расположение в камере сгорания отверстия впускного клапана соответствует традиционному требованию возможно большего удаления зоны последней части заряда от выпускного клапана. В качестве ответа на это можно сказать, что перемещение последней части заряда турбулентными вихрями при расположении отверстия выпускного клапана в камере сгорания приводит просто к увеличению скорости распространения пламени и уменьшению требуемого угла опережения зажигания.

Конструкция впускного канала обеспечивает вращательное движение смеси по часовой стрелке, которое формируется при сжатии в полости под выпускным клапаном. При достижении поршнем ВМТ в области впускного клапана возникают сильные пульсации, которые, проникая в полость, усиливают вращательное движение.


 

Фронт пламени при прохождении вдоль горячей перемычки между клапанами ускоряется и увлекает последнюю часть заряда, в результате чего детонационное сгорание возможно лишь при малых частотах вращения вала двигателя и больших нагрузках.

Эта система идеальна для работы на бедных смесях, и, если ее преимущества не используются для достижения максимально возможной мощности при заданной степени сжатия, она позволяет значительно улучшить экономичность, в противном случае улучшение экономичности невелико.

Послойное распределение заряда. На начальном этапе своей деятельности по улучшению топливной экономичности Рикардо выдвинул идею разделения заряда на зону топливовоздушной смеси и зону воздуха, что позволяло отказаться от дросселирования. Эта идея была реализована в изобретении, — английский патент № 2125, AD 1915 г. Он добивался разделения заряда не аэродинамическими средствами, а с помощью дополнительной камеры. Позже эта идея была реализована в большом двухтактном авиационном двигателе, который при малой (и полной) нагрузке работал без дросселирования, дросселирование применялось лишь при умеренных нагрузках.

Современный вариант реализации этой идеи путем впрыска топлива в предкамеру дизельного двигателя с вихревой камерой сгорания описан в работе.

При идеальном разделении заряда топливная смесь должна находиться в районе свечи зажигания, а воздух в зоне последней части заряда, что уменьшает вероятность детонационного сгорания. Такого идеального разделения добиться, конечно, невозможно, и о работах в этом направлении почти ничего не было слышно, пока интерес к ним не возродился в связи с двумя различными задачами. Во-первых, это задача создания для нужд военной техники двигателя, который мог бы работать на топливах с любыми октановыми и цетановыми числами и, во-вторых, задача создания двигателя, который при работе на этилированном или неэтилированном топливе удовлетворял бы требованиям ЕРА по токсичности отработавших газов. Результатом явилось создание двигателя фирмой «Тексако» системы TCCS и двигателя PROCO (FCP) фирмой «Форд мотор». Оба двигателя являются двигателями с искровым зажиганием и с высокой степенью сжатия (10 : 1—12 : 1), в которых впрыск топлива производится непосредственно в цилиндр, а камера сгорания расположена в поршне; в двигателе TCCS может также осуществляться турбонаддув.

Фирмой «МАН» (ФРГ) был создан вариант двигателя с искровым зажиганием «МАН—FM» на основе дизельного двигателя системы «М». Принципы разделения заряда в этих двигателях различны, кратко они могут охарактеризованы следующим образом.


 

1. «Тексако TCCS». В камере сгорания благодаря соответствующей конструкции впускного клапана создается интенсивное вихревое движение, и топливо впрыскивается в вихревой поток. Оно испаряется и воспламеняется рядом последовательных искр свечи зажигания с высокой энергией разряда. В потоке формируется фронт пламени, и в него подается топливная смесь до закрытия форсунки.

В ряде вариантов открытие форсунки и подача искры производятся возможно ближе к ВМТ, благодаря чему минимизируется время предварительного перемешивания топливной смеси. В этом двигателе может использоваться любое легкое или содержащее легкие фракции топливо.

2. «Форд PROCO» (имеется вариант этого двигателя, предназначенный для работы на керосине и дизельном топливе). В камере сгорания тоже создается интенсивное вихревое движение, но топливо подается в центр вихря, где оно испаряется и воспламеняется расположенной в центре свечой зажигания. Пламя остается в центре, поскольку его плотность меньше плотности воздуха.

 

 


 

1. Для сохранения в будущем личного транспорта в условиях увеличения трудностей с топливом необходимы новые малолитражные с высокой степенью сжатия мощные двигатели с искровым зажиганием. Они должны быть созданы на новом техническом уровне по новейшей технологии. Эти двигатели должны обладать большим ресурсом, что может компенсировать их высокую стоимость.

2. Двигателям с искровым зажиганием всегда будет отдаваться предпочтение перед дизелями в автомобилях индивидуального пользования, особенно малолитражных. Качество топлива Для двигателей с искровым зажиганием по мере истощения запасов нефти будет меняться; тенденция применения антидетонационных добавок сохранится, особенно в районах с малой плотностью населения.

3. Эти двигатели должны работать в близких к предельным условиях, при которых возникает детонационное сгорание; водитель должен научиться допускать работу двигателя в зоне легкой Детонации, однако предотвращение высокооборотной детонации требует большого внимания к качеству топлива и к конструкции и регулировке двигателя.

4. Для снижения требований к очистке топлива и подготовки к возможному уменьшению доли высокооктановых и высокоцетановых топлив следует интенсифицировать исследования в области создания двигателей с расслоением топливовоздушного заряда, особенно для двигателей малого объема. Перспективным с этой точки зрения является двигатель «Тексако», однако не следует забывать и двигатели с вихревыми камерами сгорания.

5. Необходимы новые методы оценки стойкости топлив к аномальным процессам сгорания в двигателях и пересмотр эталонных топлив.

6. Еще сохраняется много неясностей, связанных с последней частью заряда. Каков ее состав, каковы физические условия в тонком слое, примыкающем к относительно холодной стенке камеры сгорания?

7. Серьезного внимания заслуживает природа чувствительности топлив, особенно взаимосвязь процессов самовоспламенения парафинов, олефинов и ароматических соединений в топливных смесях.

8. Исследования возможности улучшения топливной экономичности во многом сдерживаются жесткими требованиями по токсичности отработавших газов — для выявления наиболее перспективных направлений повышения топливной экономичности при проведении поисковых исследований следует отказаться от ограничений токсичности. Только при таком подходе можно достичь сбалансированных показателей экономичности и токсичности автомобильного парка.

 

 


 

Трение и смазка, подобно свободе, по-настоящему ценятся лишь тогда, когда их нет. Трение представляет собой сопротивление движению при перемещении, и все механизмы расходуют энергию на преодоление сил трения, поскольку их части перемещаются друг относительно друга. С помощью смазки в некоторых случаях можно регулировать трение, однако очень часто, как это имеет, например, место в двигателях, основные потери механической энергии связаны со сдвигом пленок жидких смазок.

Обычно трение представляется как сопротивление перемещению друг относительно друга сухих твердых поверхностей. Коэффициент трения р. обычно определяется именно для такого случая, численно он равен частному от деления силы F, вызывающей относительное перемещение, на силу или нагрузку W прижатия поверхностей. Коэффициент трения для сухих поверхностей может принимать значения от 0,05 до 10 или даже еще больше, однако для металлов его значения обычно располагаются в диапазоне от 0,1 до 0,7.

Трение проявляется и во многих других случаях, отличных от указанных выше. Например, сопротивление вращению, возникающее во вращающихся элементах подшипников и при вращении шин, называется трением качения. Сопротивление течению жидкостей относительно твердых тел называется гидродинамическим трением и, наконец, некоторые виды сопротивления деформации Твердых тел называются внутренним трением.

Некоторые из указанных видов трения проявляются в механических узлах автомобиля, о них будет сказано ниже. Вероятно, Наиболее удивительно то, что смазка в автомобилях предназначена не только для уменьшения трения, но и для продления жизни механизмов. Основное назначение смазки состоит не в предотвращении износа, а в предотвращении таких катастрофических видов разрушения поверхностей, каким является, например, истирание. Некоторые типы износа и основы теории смазки будут описаны ниже. В последующих разделах внимание сосредоточено на рассмотрении механических деталей средней точности обработки из обычных металлов, которые и встречаются в автомобилях.

 

 


 

Смазка уменьшает повреждения, появляющиеся при относительном перемещении сухих поверхностей. Все поверхности твердых тел, как бы тщательно они ни обрабатывались, имеют определенную шероховатость. Например, поверхности шеек коленчатых валов имеют шероховатость со средней высотой неровностей профиля 0,25—0,38 мкм. Эти цифры относятся к средней высоте микроскопических выступов или шероховатостей, оставшихся после шлифовки или после обработки поверхности каким-либо другим способом. Притирка или хонингование позволяют получить более гладкие поверхности со средней высотой неровностей профиля 0,05—0,20 мкм, однако и при этом шероховатость остается.

Когда две сухие поверхности соприкасаются, контакт между ними осуществляется по выступам шероховатостей, при этом, как правило, происходят пластические деформации в контактирующих выступах и в основном материале под этими выступами. При скольжении поверхностей пленка окислов и пленка адсорбированной воды, каждая из которых имеет толщину около 2— 7 нм в мельчайших пятнах контакта, разрываются, при этом на каждой шероховатости обнажается поверхность металла. Эти участки металла соприкасаются между собой, и происходит их адгезия (схватывание), при которой прочность соединения близка к прочности менее прочного из двух контактирующих металлов. Эта адгезия вместе с меньшей адгезией между металлами, окислами и парами воды хорошо известна. Именно она служит основной причиной возникновения сил сопротивления скольжению. Таким образом, сухое скольжение сопровождается значительным пластическим деформированием контактирующих шероховатостей металла.

Когда скольжение деталей происходит со скоростью более 50 см/с (100 фут/мин), скорость пластического течения в шероховатостях и сопутствующего нагрева их достаточно велика по сравнению со скоростью диссипации тепла в материал, что является причиной значительного роста температуры. Скорость выделения энергии равняется произведению pFV. При еще более высоких скоростях, таких как скорости движения поверхностей шлифовальных кругов, происходит заметный нагрев. Скорости движения поверхности шлифовальных кругов составляют около 30 м/с (6000 фут/мин или 68 миля/ч), при шлифовке обычных сталей образуются искры, представляющие собой нагретые до температуры свыше 660 °С частицы абразива и материала детали.


 

Влияние повышения температуры поверхности сказывается двояко. Во-первых, тонкий слой адсорбированной воды и других «загрязнений», который ранее препятствовал контакту металла, испаряется. Во-вторых, нагрев размягчает металл и способствует значительной деформации поверхности и появлению больших поверхностей соприкосновения металла. Это явление представляет собой механизм самоусиливающего действия и часто приводит к значительному увеличению трения, а иногда и к заеданию деталей машин.

Основным назначением смазочного вещества, помещаемого между двумя металлическими поверхностями, является снижение концентрации напряжений в районе шероховатостей путем разделения поверхностей и распределение нагрузки по всей поверхности «контакта». В результате происходит значительное снижение пластического деформирования и нагрева шероховатостей. Однако внутреннее трение при сдвиге пленки жидкости также приводит к нагреву. Для сравнения сухого скольжения и скольжения со смазкой рассмотрим перемещение без смазки по гладкой поверхности стальной квадратной пластины толщиной 3 см, длина стороны которой 45 см (~45 кг) со скоростью пешехода около 125 см/с (250 фут/мин).

Отметим, что в приведенном выше примере сила вязкого трения может быть меньше силы сухого трения при малой скорости скольжения, но может и превышать ее при большой скорости скольжения. Условия были выбраны такими, чтобы силы трения совпадали, следствием чего является выделение одинакового количества тепла в обоих случаях. Основное различие между этими двумя случаями в том, что при сухом трении тепло должно отводиться через материал опорной поверхности, а при трении со смазкой тепло образуется в масле и удаляется в основном циркулирующим в подшипнике маслом. Таким образом, даже в тех случаях, когда потери на вязкость велики, как в рассмотренном выше примере, за исключением скорости скольжения 1000 см/с, достаточная циркуляция масла предотвращает чрезмерный нагрев подшипников.

Подшипники выпускались в течение более двухсот лет без применения масляного насоса для постоянной подачи смазочного материала. Если бы для нормальной смазки всегда требовалась подача масла под давлением, промышленное производство подшипников никогда бы не развилось из-за отсутствия хорошего масляного насоса для подачи смазочного материала. Более того, с тех пор как были найдены вещества, позволяющие улучшить характеристики подшипников, они стали с успехом применяться все чаще и чаще. До тех пор, пока не стали доступными растительное масло, минеральное масло и китовый жир, использовалось сало животных. Техническая революция привела к повышению точности изготовления и к применению улучшенных материалов для подшипников. По мере увеличения количества создаваемых машин искусство создания подшипников все более и более развивалось, оставаясь по-прежнему искусством.


 

Первые научные исследования в области теории подшипников начались лишь 100 лет назад, благодаря наблюдению некоторых непонятных фактов при испытаниях подшипников. Английский инженер Бичемп Тауэр сконструировал простой испытательный стенд для экспериментального определения несущей способности простого вала и радиального подшипника. В опыте вал вращался частично погруженным в масло. Радиальный подшипник нагружался силой, направленной вниз со стороны вала. В подшипнике было сквозное отверстие для смазки пары трения. При вращении вала масло вытекало из отверстия и «пачкало все кругом». Отверстие заткнули деревянной заглушкой, однако давление было настолько высоким, что масло выдавливало заглушку, отверстие для смазывания ввернули манометр. Давление превышало предельно замеряемое манометром, равное по величине 200 фунт/дюйм2 (1,38 МПа), среднее давление между валом и подшипником равнялось при этом 100 фунт/дюйм2 (0,69 МПа).

Эти результаты стали известны профессору Манчестерского университета в Англии Осборну Рейнольдсу. Он для исследования работы машины Тауэра рассмотрел длинный вал радиусом R, который вращается и «переносит» масло от места его подачи вверх по вкладышу подшипника. Радиус вкладыша превышает R на величину R-10~8. Вязкое сопротивление препятствует свободному стеканию масла с вала, так что некоторое количество масла проходит через верхнюю несущую нагрузку область. Чем выше скорость вала, тем большее количество масла протекает через верхнюю область и тем толще становится пленка жидкости между валом и вкладышем. Подшипник такого типа называется гидродинамическим, поскольку его несущая способность зависит от скорости вращения.

По мере создания машин с повышенной точностью несущая способность подшипников возрастала, частично потому, что размеры шероховатостей «становились» меньше, а частично потому, что стали точнее выполняться требования соосности и соблюдаться Другие размеры. С развитием самолетостроения, однако, обнаружилось, что использование соотношений Рейнольдса приводило к созданию подшипников, обладающих десятикратным запасом. Причина этого состоит в том, что при получении соотношения Рейнольдса материалы вала и вкладыша считались абсолютно Жесткими и, таким образом, предполагалось, что нагрузка сосредоточена на малой части рабочих поверхностей подшипника.


 

Соотношения ЭГД-теории используются для конструирования смазываемых машин, особенно машин, эффективных в весовом отношении. Однако существуют и другие ограничения практического применения сконструированных на основе этих отношений деталей, помимо связанных с точностью вычисления h. Одно из наиболее важных ограничений связало со случаями, когда на поверхности действует нагрузка, а скорость недостаточна для обеспечения нужной толщины пленки жидкости. К таким случаям относятся пуск и остановка двигателей и систем передач.

Условия при пуске в этом смысле хуже условий при остановке, поскольку для изменения толщины пленки требуется время. Особенно серьезно стоит эта проблема для мест контакта распределительного вала двигателя с подвижными деталями. Одним из путей решения проблемы может быть увеличение площади, воспринимающей нагрузку. Другим путем может быть увеличение вязкости смазочного вещества, способствующее защите от перегрузки всех пар трения. Однако увеличение вязкости просто увеличивает вязкое сопротивление в хорошо подогнанных радиальных подшипниках.

Интересные разработки появились в начале 1950-х годов, которые имели целью повышение надежности работы пар трения, в частности, в случаях чрезмерного утонения пленки смазывающего вещества. В масло для двигателя добавлялись сложные химические вещества, которые поглощали окислы металлов поверхностей подшипников. Физическая природа этого поглощения точно не была установлена. В результате поглощения образовывалась очень тонкая пленка с очень высокой вязкостью, однако она в процессе работы разрушалась, и необходимо было ее постоянно пополнять. Наиболее часто используемой в настоящее время защитной присадкой (называемой также антиизносной присадкой) является цинк-диалкил-дитио-фосфат (zinck-dialkyl-dithio-phosphate — ZDDP). Эта присадка содержит цинк, серу и фосфор. Исследования показали, что каждое из этих веществ эффективно снижает трение.

Окончательным эффектом применения ZDDP и других аналогичных присадок является то, что элемент двигателя (и зубчатые передачи) могут работать при отсутствии жидкой смазочной пленки во время пуска и могут выдерживать кратковременные перегрузки. Таким образом, при использовании антиизносных присадок появляется возможность уменьшения размеров опорных поверхностей в двигателе и применения смазки меньшей вязкости. На основании этого можно сделать вывод о необходимости разработки присадок улучшенного типа для уменьшения трения в двигателях. Следует, однако, иметь в виду, что эти присадки обычно оказывают коррозионное воздействие. Наиболее существенно эти присадки влияют на усталостные характеристики многослойных вкладышей подшипников коленчатого вала. Так что необходимо найти компромисс между защитными свойствами присадок при кратковременных перегрузках и их отрицательным действием при длительной эксплуатации.

Хорошими смазочными веществами служат некоторые твердые вещества. Двумя наиболее распространенными являются графит и дисульфид молибдена. Менее распространены, по крайней мере в автомобильной промышленности, тефлон и другие длинно-цепочечные полимеры.


 

Графит и дисульфид молибдена заслужили репутацию хороших защитных средств от задиров, образования царапин и других видов повреждений поверхности при горячей штамповке и аналогичных процессах. Горячая обработка обычно производится при таких температурах, когда жидкие смазочные вещества сгорают и разлагаются, в результате чего трущиеся поверхности остаются незащищенными. Графит и дисульфид молибдена являются наилучшими смазочными веществами в некоторых ситуациях. Связи между слоями относительно слабы, что допускает возможность сдвига при малых напряжениях. Напряжение сдвига слабо зависит от величины усилий, действующих перпендикулярно плоскостям скольжения. Таким образом, при больших значениях W величина F относительно мала, следствием чего является малая величина коэффициента трения р., близкая к 0,01. Однако при очень малых значениях W величина и для дисульфида молибдена может достигать 0,6, а для графита — 0,48.

Прочность связей гексагональной структуры слоев дисульфида молибдена и графита очень велика, поэтому края плоскостей очень твердые и обладают абразивным действием. Эта их особенность служит причиной износа деталей машин при добавлении дисульфида молибдена или графита в жидкие смазочные вещества. Однако, если учесть, что твердые смазочные вещества пред. отвращают задиры и заедание, некоторый износ можно допустить.

 

ТРЕНИЕ В ДЕТАЛЯХ АВТОМОБИЛЯ

Наибольшие потери энергии, связанные с трением в деталях автомобиля при движении с установившейся скоростью, происходят в двигателе. Распределение энергии в двигателях различных автомобилей различно, оно зависит также от режима эксплуатации. Например, при смешанном городском и магистральном ездовом цикле ЕРА энергия, образующаяся в результате сгорания топлива, распределяется следующим образом: 33 % теряется с отработавшими газами, 29 % передается в систему охлаждения цилиндров и картера и 38 % превращается в индикаторную мощность (среднее значение давления в цилиндре, умноженное на площадь поршня и скорость). Логичнее было бы говорить об эффективной мощности, однако следует знать, что лишь 12 % энергии от сгорания топлива расходуется непосредственно на движение автомобиля. Это означает, что тепловые потери от подводимой энергии составляют 88 %, что лишь немного лучше полной 100 %-ной потери, когда автомобиль с работающим двигателем продолжал бы стоять.

Даваемый ведущим колесам, преодолевает незначительные усилия в тормозных устройствах из-за их недостаточно полного отключения, сопротивление качению шин и аэродинамическое сопротивление. Величина сопротивления качению шин составляет примерно 20 фунтов (89,0 Н) на 1000 фунтов (4448 Н) нагрузки, она сильно зависит от внутреннего давления в шине и мало зависит от скорости. Сопротивление тормозных устройств автомобиля может достигать 20 фунт (89,0 Н), а аэродинамическое сопротивление возрастает по логарифмическому закону с увеличением скорости.

 

 


 

Коэффициент сопротивления качению позволяет сравнить эффективность использования различных шин на одном и том же автомобиле. Нагрузка на различные шины для заданного автомобиля при одном и том же положении шины будет одинаковой, так что сравнение коэффициентов сопротивления качению позволит определить, какая из шин наиболее эффективна.

Вопрос о влиянии скорости на величину сопротивления качению в литературе был освещен недостаточно четко. Результаты некоторых измерений свидетельствовали о заметном влиянии скорости на сопротивление качению, в то время как результаты Других измерений указывали на то, что влияние скорости очень мало. Выполненная недавно рядом ведущих производителей шин в США серия измерений показала, что сопротивление качению испытанных шин почти не зависит от скорости в диапазоне ее значений, обычных для современных дорог США.

 

 


 

Применение легких армированных волокнами пластиков (FRP — fiber-reinforced plastics) в автомобилях является одним из многообещающих путей повышения топливной экономичности автомобилей благодаря снижению их массы. Помимо высокой удельной прочности FRP имеют еще ряд преимуществ по сравнению с листовыми металлами. Такими преимуществами являются возможность изменения в широких пределах толщины и формы, сравнительно невысокая стоимость, сопротивляемость коррозии и хорошие показатели демпфирования колебаний.

Благодаря своим хорошим показателям легкие композитные материалы нашли широкое применение в легковых автомобилях. Однако в настоящее время FRP используются в основном в качестве панелей кузова, т. е. там, где материал не испытывает воздействия повышенных нагрузок. Для полной реализации возможностей снижения массы, предоставляемых FRP, их следует также использовать и для изготовления несущих элементов. Такое широкое применение предполагает наличие полных данных о свойствах материалов.


 

 

ПОГЛОЩЕНИЕ ВЛАГИ

Данные для соединений друг с другом элементов из материала SMC-R50 проявляют аналогичные закономерности. При 23 °С максимальное количество влаги в соединениях этих двух пар материалов асимптотически стремится, по-видимому, к одной и той же величине в случае погружения их в одну и ту же жидкость. За двухмесячный период испытаний максимальное количество влаги достигается лишь в воздухе.

В воде и в 5 %-ном растворе NaCl максимальное количество влаги не достигается. Эти максимальные значения могут быть определены экстраполяцией экспериментальных данных, в результате чего получаем 0,18, 1,5 и 2,0 % для воздуха, соленой воды и воды соответственно.

При 93 °С (в случае погружения в воду) максимальный уровень содержания влаги не достигается. В течение первых примерно 100 ч масса увеличивается, а затем быстро уменьшается.

Это указывает на то, что материал при этом разрушается. При 93 °С образцы материалов и образцы соединений во время испытаний ведут себя одинаково. Это означает, что в основном разрушается композитный материал, а не клей.


 

 

ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ ВНАХЛЕСТКУ ПРИ СДВИГЕ

Ни прочность, ни модуль при выдержке соединения в жидкости при комнатной температуре заметно не меняются. В некоторых случаях в результате воздействия окружающей среды прочность немного (на 10—15 %) увеличивается. Положительный эффект воздействия жидкости и температуры обусловлен, вероятно, пластификацией. Прочность соединений, погруженных на 30 дней в горячую (93 °С) воду или горячий раствор соли, уменьшается вдвое. Нагрузка (до 30 % номинальной прочности) при выдержке в жидкости не оказывает, по-видимому, влияния на показатели прочности.

Соединения могут разрушаться либо в результате расслоения композитного материала, либо в результате разделения склеенных элементов. В описываемых испытаниях в большинстве случаев разрушение происходило в результате расслоения элементов. Разделение по клеевому шву чаще всего происходило при повышенных (93 °С) температурах.


 

 

ДЕМПФИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ

Материалы, используемые в коммерческих целях, должны демпфировать шум и колебания. Поэтому важно знать характеристики листовых формовочных композитных материалов, описывающие их демпфирующие свойства. Эти свойства могут быть охарактеризованы двумя параметрами: коэффициентом потерь и модулем накопления. Эти параметры определяются с помощью возбуждения в материале вынужденных гармонических колебаний и измерений напряжений на входе и деформаций на выходе. Коэффициент потерь представляет собой тангенс угла сдвига фаз напряжения и деформации и равен отношению рассеянной в материале энергии к накопленной. Модуль накопления представляет собой отношение совпадающих по фазе компонент напряжения на входе и деформации на выходе.

Коэффициент потерь нечувствителен к частоте возбуждения в диапазоне 0,1— 10 Гц. Для испытанных листовых формовочных композитных материалов значения коэффициентов на порядок больше, чем для стали. Это означает, что листовые формовочные композитные материалы будут демпфировать колебания эффективнее стали.

Повышение температуря (от 23 до 120 °С) улучшает демпфирующие свойства и снижает жесткость. Выдержка в жидкости оказывает аналогичное влияние. Выдержка в течение 1000 ч существенно улучшает демпфирующие свойства композитов с рубленными волокнами (SMC-R25 и SMC-R65), их жесткость при этом незначительно уменьшается. Демпфирующие свойства композитных материалов с непрерывными волокнами (ХМС-3 и SMC-C2Q/R3Q) немного изменяются в направлении волокон. Примечательно, что обусловленные изменениями температуры и влаги изменения демпфирующих свойств, по-видимому, обратимы.


 

 

ПОГЛОЩЕНИЕ ВЛАГИ

Армированные стекловолокнами композитные материалы с органическими матрицами поглощают влагу при нахождении их во влажном воздухе или в жидкости. С помощью этих данных можно определить ряд параметров, среди которых нагрузка начала текучести и предельная нагрузка, кажущийся модуль упругости при ударе, перемещение начала текучести и предельное перемещение, количество поглощаемой энергии к моменту начала текучести и к моменту разрушения.

Эти данные показывают, что, как правило, если сухой материал погрузить в жидкость, его масса сначала увеличивается, а затем по прошествии некоторого времени стабилизируется. Начальная скорость увеличения массы и значение, при которой она стабилизируется, зависят от а) материала, б) температуры и в) окружающей среды (относительной влажности воздуха или жидкости). Эти данные показывают также, что в некоторых случаях масса после достижения определенного значения не остается постоянной, а продолжает увеличиваться или начинает уменьшаться. Это означает, что процесс переноса влаги не следует закону Фика. Одной из причин может быть то, что процесс переноса влаги в смоле не является по своей Природе процессом, который может быть описан законом Фика. Другое правдоподобное объяснение характера процесса поглощения влаги состоит в следующем.

Благодаря наличию влаги в окружающей среде и высокой температуре на поверхности и внутри материала образуются микротрещины. Влага быстро проникает в материал, вследствие чего масса образца увеличивается. По мере роста трещин начинается унос материала, а именно частиц смолы. Такой унос материала действительно часто наблюдается после нескольких часов его пребывания во влажной атмосфере. Пока поступление влаги превышает унос материала, масса образца увеличивается. Когда же масса уносимого материала превышает массу поглощаемой влаги, масса образца уменьшается. Конечно, при уносе материала результаты измерения изменения массы образца не отражают содержания влаги в материале.


 

 

 

Аэродинамика транспортного средства имеет дело с исследованием эффектов, возникающих при движении его в воздухе или относительно воздуха. Значение аэродинамики для автомобилей стало ощущаться, когда они начали двигаться с большими скоростями. Автомобиль, как мы знаем, появился в последнем десятилетии девятнадцатого века. Его появление практически совпало с появлением механических летательных аппаратов, и, вероятно, поэтому аэродинамики заинтересовались автомобилем с самого начала. Одной из первых попыток применения принципов аэродинамики к автомобилям было придание обтекаемой формы первому обладателю рекорда скорости на земле автомобилю «Джантауд», управляемому Гастоном Чазелу-Лоба. Этот автомобиль устанавливал рекорды несколько раз, наивысшая скорость 93 км/ч была достигнута им в 1899 г.

Рано возникший интерес к аэродинамике автомобиля не ослабевал, и уже в 1922 г. Клемперером была опубликована статья (по-видимому, это самая первая статья на эту тему), в которой сообщалось об исследованиях в аэродинамической трубе нескольких форм автомобилей того времени и также одной перспективной формы, обладающей малым сопротивлением. Исследования проводились в аэродинамической трубе фирмы «Цеппелин», которая занималась конструированием и созданием дирижаблей, влияние дирижаблей отразились и на форме модели автомобиля малого сопротивления. Эта модель имела обтекаемую каплевидную форму без колес. Коэффициент сопротивления модели равнялся 0,15.

Хотя стоимостью топлива никогда не пренебрегали, повышение топливной эффективности не считалось главной задачей, и, следовательно, аэродинамики часто имели перед собой другие цели. Первоочередная цель, связанная с достижением максимальной скорости, длительное время сохраняла свое значение только для гоночных автомобилей (но даже и здесь увеличение мощности двигателей несколько сместило акценты) и автомобилей, предназначенных для установления рекордов скорости. Примерами последних являются автомобиль «Голденрод», на котором в 1965 г. был установлен мировой рекорд скорости для автомобилей с приводом на колеса 664 км/ч, и автомобиль с реактивным двигателем «Голубое пламя», обладатель установленного в 1970 г. абсолютного рекорда скорости для автомобиля произвольного класса 1001 км/ч. Коэффициент сопротивления для автомобиля «Голденрод», напоминающего по форме карандаш, CD — 0,12. Это значение является наименьшим известным для крупногабаритного управляемого водителем автомобиля. Обычные автомобили повседневного пользования имеют другие, менее изящные формы, так что сравнение их с автомобилем «Голденрод», как с идеалом, видимо, не совсем уместно.

С ростом внимания в последнее время к топливной экономичности автомобиля к его аэродинамике стало возвращаться ее былое значение. Диктуемая реальностями рынка необходимость повышения топливной экономичности привела к созданию такой обстановки, при которой от аэродинамиков требуется внести свою лепту в достижение наивысших показателей топливной экономичности автомобиля. Свидетельством возрождения интереса к аэродинамике служит проведение в последние годы ряда конференций, на которых обсуждались достижения в области аэродинамики автомобиля.

Общепринято считать, что основы проектирования автомобилей малого аэродинамического сопротивления хорошо известны. Кроме того, достаточно широко известно, что тело наименьшего сопротивления при дозвуковых скоростях имеет каплевидную форму, уже рассмотренную Клемперером. Обычно предполагается, что идеальное тело каплевидной формы в свободном полете (вдали от земли) имеет коэффициент аэродинамического сопротивления, равный всего лишь 0,04, но, что удивительно, действительные пропорции идеального каплевидного тела и их зависимость от числа Рейнольдса и угла атаки фактически точно неизвестны. Нет никакой необходимости в том, чтобы задняя часть тела сужалась, сходясь в точку. Как было установлено экспериментально в 1930-х годах, задняя часть тела может быть срезана без какого-либо увеличения аэродинамического сопротивления. Эта идея была высказана Каммом, и соответствующая форма задней части кузова называется К-формой. Однако это тонкости, а коэффициенты аэродинамического сопротивления выпускаемых в настоящее время автомобилей на порядок больше, чем у каплевидных тел в свободном полете, и в несколько раз больше, чем у тел с формой, предложенной Клемперером.

Они принимают значения от 0,8 для автомобилей прежних лет с откидывающимся верхом до примерно 0,35 для лучших современных автомобилей. Среднее значение для типичных современных автомобилей равно 0,45. Основная причина такого различия между идеальными и фактическими значениями заключается в том, что к форме автомобиля предъявляется много других требований, о которых будет сказано в следующем разделе.

При исследовании обтекания автомобилей в аэродинамических трубах основное внимание уделяется измерениям сил и моментов, подробного анализа потока не проводилось. Это, главным образом, связано со сложностью форм автомобилей, которая является прямым следствием практических требований, фактически определяющих особенности формы автомобиля. Важным следствием сложности форм автомобилей является сложность картин обтекания их. Обтекание турбулентно, трехмерно, характеризуется наличием большого количества областей отрыва потока, наличием сильных вихрей в спутной струе, на него влияет близость земли.

В результате значительной сложности работы в области аэродинамики до последнего времени велись разрозненно, часто проводились параллельно, при анализе данных по аэродинамике Различных автомобилей внимания вопросам обобщения уделялось недостаточно.

 


 

Коэффициенты аэродинамического сопротивления современных автомобилей на порядок превышают коэффициенты сопротивления каплевидных тел в свободном полете и в несколько раз превышают коэффициенты сопротивления идеальных форм, подобных рассмотренной Клемперером. Одна из основных причин такого состояния заключается в том, что к форме автомобиля предъявляется много практических требований, вытекающих из необходимости выполнения им определенных задач, безопасности автомобиля, простоты технического обслуживания и ремонта, необходимости охлаждения и условий производства. С учетом всех этих требований автомобиль должен иметь достаточно вместительный пассажирский салон, который определяет габариты автомобиля, и соответствующие отсеки для размещения двигателя и груза. Все это в совокупности в значительной степени определяет форму автомобиля и вызывает необходимость добавления к кузову различных деталей таких, например, как ручки дверей, которые увеличивают аэродинамическое сопротивление.

Для типичного современного автомобиля отношение ребер «описанного параллелепипеда» составляет около 3 : 1,33. 1 (длина: ширина: высота). К указанным требованиям относится также и то, что колеса должны быть частично открыты С точки зрения безопасности конфигурация пассажирского салона должна обеспечивать хорошую видимость во все стороны Автомобиль должен обеспечивать максимальную защиту ПРИ столкновениях, что означает необходимость наличия соответствующих зон разрушения. Ветровое стекло не может иметь наклона менее 30°, поскольку в противном случае рефракция света может явиться причиной ухудшения видимости. Наружные зеркала, обеспечивающие задний и боковые обзоры, также дополнительно увеличивают аэродинамическое сопротивление.

Для простоты ремонта и технического обслуживания должен быть обеспечен свободный доступ к двигателю и ко многим деталям, расположенным под кузовом. Это побуждает отказаться от применения гладкого днища под кузовом, которое было бы весьма эффективно с точки зрения уменьшения сопротивления.

Другой причиной, препятствующей применению гладкого днища, является то, что ряд узлов, таких как тормоза, трансмиссия и выхлопная система, нуждаются в обдуве воздухом с целью их охлаждения. Наконец, для потребителя важным фактором является внешний вид автомобиля. Именно этот аспект побуждает конструкторов автомобилей внести в конструкцию каждого автомобиля свои собственные черты, часто сохраняя при этом некоторые характерные особенности, присущие целому семейству автомобилей. При попытках удовлетворить этим требованиям приходится нарушать некоторые принципы создания конструкции малого аэродинамического сопротивления.

 

 


 

При движении на автомобиль действуют три различные силы — сопротивление качению, аэродинамическое сопротивление и составляющая силы тяжести, — которые действуют противоположно силе тяги, движущей автомобиль. В простейшем случае, когда автомобиль движется по ровной дороге с постоянной скоростью, в движении участвуют только первые две силы. Величина первой силы сопротивления качению зависит от конструкции шины и давления воздуха в ней, эта сила пропорциональна массе автомобиля. Ее величина практически постоянна — она лишь незначительно увеличивается с увеличением скорости и очень мало зависит от формы автомобиля. Аэродинамическое сопротивление, напротив, существенно зависит от скорости автомобиля. Его величина пропорциональна площади лобовой поверхности автомобиля и квадрату скорости воздуха. При очень малых скоростях аэродинамическое сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением качению, однако при больших скоростях аэродинамическое сопротивление быстро возрастает, и, практически, именно оно составляет основную часть полного сопротивления.

Тот факт, что аэродинамическое сопротивление быстро возрастает с увеличением скорости, хорошо известен, именно это обстоятельство послужило причиной ошибочного мнения, что аэродинамическое сопротивление играет важную роль лишь при больших скоростях. Это совсем не так. С помощью простой линейки можно разобраться в этом вопросе и оценить скорость, при которой роль аэродинамического сопротивления действительно становится важной, т. е. так называемую переходную скорость. Это скорость установившегося движения, при которой сила аэродинамического сопротивления; равна силе трения качения. Для современных автомобилей эта скорость оценивается примерно в 50 км/ч, а учитывая тенденцию к облегчению автомобилей и уменьшению сопротивления качению шин, можно сказать, что для автомобилей будущего переходная скорость станет еще меньше.

 

 


 

Обратимся теперь непосредственно к вопросу о роли аэродинамического сопротивления. К этому вопросу можно подойти по-разному, один из подходов, заключающийся в оценке переходной скорости, обсужден ранее. Это простой и эффективный способ, позволяющий оценить скорости автомобиля, при которых аэродинамическое сопротивление начинает играть решающую роль. Однако он позволяет оценить аэродинамическое сопротивление лишь в сравнении с сопротивлением качению, которое для каждого автомобиля различно, зависит от массы автомобиля и характеристик шин. Общим способом количественной оценки роли аэродинамического сопротивления является оценка в процентах вклада аэродинамического сопротивления в полное сопротивление на каком-либо типовом ездовом цикле. Этот метод очень часто используется для оценки сокращения расхода топлива, которого можно ожидать при некотором определенном снижении аэродинамического сопротивления. Однако такая оценка тоже относительна, она не позволяет выявить истинного вклада, который аэродинамическое сопротивление вносит в расход топлива.

До сих пор не делалось никаких предложений, однако для того, чтобы перевести энергию в литр на 100 км, надо сделать некоторые предположения относительно эффективности превращения энергии, т. е. эффективности, с которой энергия топлива может использоваться для движения автомобиля, или эффективности всей системы двигатель — трансмиссия.

 

 


 

Необходимо располагать действительными значениями коэффициента аэродинамического сопротивления и скорости воздуха. В результате последующего анализа эти факторы будут учтены введением «эффективного» коэффициента аэродинамического сопротивления.

Для того чтобы воспользоваться результатами, приведенными на рис. 10.8, необходимо задать типичное значение скорости ветра. Хорошим источником необходимых сведений для этого являются данные метеослужбы, которая через определенные промежутки времени регистрирует и обрабатывает результаты измерений скоростей ветра. С помощью этих данных можно, например, установить, что в районе Детройта средняя скорость ветра (среднегодовая) превышает 16 км/ч. Действительная скорость ветра у поверхности земли, т. е. там, где движется автомобиль, несколько меньше этой величины. Однако использование среднего значения скорости ветра приведет к недооценке его влияния, которое может быть значительнее из-за неустановившегося характера и турбулентности, а также нелинейности аэродинамического сопротивления (сопротивление увеличивается пропорционально квадрату полной скорости).

Таким образом, наличие ветра приводит к увеличению вклада аэродинамического сопротивления в общие потери. Это увеличение особенно заметно при малых скоростях движения. Вследствие этого переходная скорость, т. е. скорость, при которой аэродинамическое сопротивление становится определяющим, фактически будет меньше определенной при нулевом угле набегания потока (при отсутствии ветра), т. е. меньше 50 км/ч.

 

 


 

Все предыдущие рассуждения относились лишь к случаю движения с постоянной скоростью, фактически же движение автомобиля включает в себя периоды разгона, торможения и работы на холостом ходу. Для имитации реальных условий вождения ЕРА разработаны ездовые циклы в городе и по шоссе, и их можно использовать для описания характерных условий эксплуатации автомобиля. В соответствии с этими циклами задается скорость автомобиля с интервалом в 1 с. Средняя скорость автомобиля при Движении по ездовым циклам ЕРА составляет 77,6 км/ч для цикла, соответствующего движению по шоссе, и 38,4 км/ч для цикла, соответствующего движению в городе. Однако эти среднеарифметические значения не годятся для оценки средней величины силы аэродинамического сопротивления.


 

 

ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ В РЕЗУЛЬТАТЕ УМЕНЬШЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Для того чтобы оценить возможности повышения топливной экономичности в результате уменьшения аэродинамического сопротивления, рассмотрим один конкретный пример. Подсчитаем энергию, необходимую для преодоления аэродинамического сопротивления при движении на расстояние 100 км по двум циклам ЕРА, для малогабаритного автомобиля с площадью лобовой поверхности 2 м2 (что примерно соответствует размерам автомобиля «Шевроле сайтейшн») и с типичным для современных автомобилей коэффициентом аэродинамического сопротивления, равным 0,45.

Что касается полной оценки возможности повышения топливной экономичности за счет снижения аэродинамического сопротивления в перспективе, можно допустить уменьшение типичного для современных автомобилей коэффициента CD, равного 0,45, до 0,30 или 0,33. Такое снижение аэродинамического сопротивления трансформируется в очень существенное уменьшение расхода топлива: на 11 % при движении по смешанному ездовому циклу ЕРА и значительно больше при движении по шоссе с большими скоростями.

Необходимо отметить, что указанное выше повышение топливной экономичности не может быть полностью достигнуто только за счет уменьшения коэффициента аэродинамического сопротивления уже существующего автомобиля. Причиной этому служит то, что изменении аэродинамического сопротивления влечет за собой изменение требований к энергетическим характеристикам автомобиля. Если предположить, что исходный автомобиль имеет силовую передачу, идеально соответствующую исходным энергетическим требованиям (нагрузке), то вариант этого автомобиля с уменьшенным аэродинамическим сопротивлением уже не будет отвечать этим требованиям и его силовая передача не будет работать с максимальной эффективностью. Существенно более мощный, чем это требуется, двигатель будет работать на повышенных оборотах, при которых потребуется больше чем нужно дросселирование. Таким образом, полностью возможности, предоставляемые Уменьшением аэродинамического сопротивления, могут быть ревизованы лишь в том случае, если силовая передача будет соответствовать новой нагрузке. Более подробно этот аспект проблемы рассмотрен, например, Джанссоном и Эммельманом. Для вновь создаваемого автомобиля этой проблемы нет, поскольку можно ожидать, что его силовая передача, будет, насколько это возможно, соответствовать действительным нагрузкам с учетом малого аэродинамического сопротивления.

В заключение отметим, что аэродинамическое сопротивление современных автомобилей превышает сопротивление качению при скоростях, меньших средней даже для ездового цикла ЕРД соответствующего движению в городских условиях. При существующей тенденции создания более легких автомобилей и улучшения качества шин относительное значение аэродинамического сопротивления будет возрастать, если, только параллельно не будут проводиться работы по уменьшению величины CDA.


 

 

МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Как будет показано в следующем разделе, важно уделить серьезное внимание малым деталям кузова автомобиля, поскольку суммарный эффект ряда таких деталей может быть довольно значительным. Следуя этому правилу, опытный специалист-аэродинамик может существенно уменьшить путем проб и ошибок аэродинамическое сопротивление почти любой формы автомобиля, предложенной стилистом. Однако, чтобы сделать более существенный шаг вперед, т. е. выйти за рамки искусства и достичь еще более существенного уменьшения аэродинамического сопротивления, необходимо рассмотреть следующие два вопроса.

1. Каков практически достижимый нижний предел коэффициента CD для выпускаемых промышленностью автомобилей?

2. Каковы основные критерии, которые необходимо учитывать при достижении этого предела?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, надо лучше разобраться в механике течения газов, участвующих в образовании аэродинамического сопротивления.

Цель этого раздела дать обзор известных фактов о механизмах образования аэродинамического сопротивления тел необтекаемой формы и, в частности, автомобилей. Мы рассмотрим, что известно о природе обтекания автомобилей, и изложим необходимые для этого сведения из механики жидкостей и газов. Знать механизмы образования аэродинамического сопротивления очень важно, поскольку эти знания составляют основу всей теории аэродинамики автомобиля. Они позволяют правильно анализировать экспериментальные данные и могут помочь в постановке новых экспериментов. Эти знания важны для выбора наиболее эффективных путей снижения аэродинамического сопротивления и для использования различных теоретических и численных методов решения проблемы. По этим причинам раздел, посвящений механизмам возникновения сопротивления, является важной частью всего обзора.


 

 

СОСТАВЛЯЮЩИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

При исследовании аэродинамического сопротивления полезно разделить его на отдельные составляющие. Цель такого разделения — добиться упрощения задачи понимания процесса возникновения аэродинамического сопротивления. Важным же преимуществом такого разделения является возможность сосредоточить внимание на вопросах, представляющих наибольший интерес с точки зрения уменьшения аэродинамического сопротивления. Первое, что можно сделать, — это разделить полное сопротивление на внутреннее и внешнее (внутреннее сопротивление обусловлено потерями во внутренних каналах, в основном в охлаждающем тракте). Наибольшим из этих двух сопротивлений является последнее, т. е. внешнее, оно составляет более 90 % полного сопротивления. Последующее обсуждение будет относится именно к этому сопротивлению. Внутреннее сопротивление будет отдельно рассмотрено позже.

Поскольку внешнее сопротивление от давления составляет более 80 % полного сопротивления (остальные 20 % приходятся на внутреннее сопротивление и сопротивление от трения о корпус), уместно, по-видимому, и его разделить на отдельные части. На этом этапе принцип деления менее очевиден, одним из возможных способов является деление кузова автомобиля на верхнюю часть и низ кузова и последующее деление верхней части кузова на переднюю и заднюю части. Такое деление не является идеальным, поскольку оно предполагает независимость потоков, обтекающих эти три части, в то время как фактически они существенно взаимосвязаны. Тем не менее, во многих случаях оно весьма полезно, например, при анализе влияния незначительных изменений формы корпуса на локальные характеристики зон отрыва потока.


 

 

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЕРЕДНЕЙ ЧАСТИ КУЗОВА

Однокорпусные конструкции. Деление верхней части кузова на переднюю и заднюю части несколько условно, оно в основном носит иллюстративный характер. Как правило, кузов делится на эти две части по наибольшему поперечному сечению. Для фургонов и грузопассажирских автомобилей понятие местоположения наибольшего поперечного сечения лишено смысла, но это обстоятельство не представляет никаких затруднений. Наличие участка с постоянной площадью сечения между передней и задней частями кузова приводит к тому, что обтекание их становится более независимым друг от друга.

На передней части кузова всегда есть участки, где давление воздуха превышает давление окружающей среды, и участки, где оно меньше. Области высокого давления расположены около точек застоя и на большинстве вогнутых участках поверхности, а области низкого давления — на выпуклых участках поверхности и около угловых точек. Если в процессе обтекания поток нигде не отрывается от передней части кузова, то его с большой точностью можно считать потоком невязкой среды. В этом случае можно показать, что сила давления, действующего на переднюю часть кузова, т. е. интеграл от давления по всей поверхности передней части кузова, всегда отрицательна (она движет тело вперед) и стремится к нулю для тел с длинным участком постоянной площади сечения между передней и задней частями. Этот результат не зависит от фактического очертания передней части кузова.

В реальных ситуациях из-за наличия зон отрыва потока сила давления, действующего на переднюю часть кузова, часто положительна. Отрывы потока можно разделить на три основных типа: 1) отрыв на выпуклых участках поверхности, кривизна которых такова, что поток не может следовать по поверхности и отрывается от нее; 2) локальный отрыв на сильно искривленных вогнутых участках поверхности, где поток соединяет наиболее сильно искривленные места поверхности, и 3) трехмерный отрыв поверхностного течения на поверхностях, где форма тела становится несимметричной или сильно отличающейся от двумерной.


 

Принципы минимизации аэродинамического сопротивления передней части кузова автомобилей однокорпусной конструкции достаточно очевидны. Следует исключить сильно искривленные области и проследить за скошенными участками поверхности, где поток может отрываться. При учете влияния обтекания передней части кузова на обтекание задней части эти принципы становятся сложнее. Как минимум, следует попытаться минимизировать искривления поверхности в районе наибольшего поперечного сечения, что приведет к минимизации локального давления в этом районе. Кроме того, есть свидетельства, что некоторые преимущества можно получить, оформляя переднюю часть кузова так, чтобы внешний поток воздуха направлялся в основном бокам автомобиля, а не по верху его кузова. Об этом будет сказано в одном из последующих разделов.

Дополнительные сложности возникают при учете отклонения направления набегающего потока от направления движения (при действии ветра). Как мы уже видели; коэффициент аэродинамического сопротивления при Отекании автомобиля под некоторым углом к направлению движения больше, чем при обтекании в направлении движения. Трехмерное обтекание при этом гораздо сложнее. До настоящего времени этот вопрос применительно к автомобилям не исследовался. С другой стороны, применительно к фюзеляжам самолетов и корпусам ракет в этом направлении проведены обширные исследования. Многие результаты этих исследований могут быть полезными и для изучения обтекания автомобилей при действии ветра. Прекрасной работой по этому вопросу является довольно большой обзор Пика и Тобака. Указанный вопрос имеет существенное значение, поскольку он позволяет оптимизировать форму автомобиля для всего диапазона представляющих практический интерес значений углов набегания потока (от 0 до 15°).

Двухкорпусные конструкции. Одним из наиболее интересных вопросов аэродинамики тел необтекаемой формы является взаимное влияние друг на друга двух расположенных последовательно тел обтекаемой формы. Примечательной особенностью является то, что картина обтекания и сила аэродинамического сопротивления двухкорпусной конструкции не могут быть получены по характеристикам индивидуального обтекания образующих ее тел. Причиной этому служит то, что заднее тело подвергается воздействию потока, сильно возмущенного передним телом. Кроме того, заднее тело само влияет на переднее вследствие возникновения потоков в противоположном направлении. Наиболее характерными примерами являются обтекание автомобиля с прицепом или обтекание автомобилей, движущихся непосредственно друг за другом. Еще одним примером может быть обтекание двух рядом расположенных зданий. Когда тела друг с другом не связаны, интерес представляют силы, действующие на каждое из них отдельно. В том случае, когда тела соединены, как в примере автомобиля с прицепом, представляют интерес также и силы, действующие на систему в целом.

Большинство исследований в этой области выполнено для грузовых автомобилей с прицепами, чаще всего в связи с анализом влияния ветровых щитков (или отражателей), установленных на кабине грузового автомобиля. Картина обтекания грузового автомобиля с прицепом трехмерна и очень сложна, в результате чего анализ экспериментальных данных довольно труден. Вследствие этого исследования проводились на более простых осесимметричных телах.

Одно из таких исследований проведено Рошко и Кенигом, которые изучали обтекание осесиммметричного цилиндра с помещенным перед ним тонким круговым диском. Целью исследования было определение аэродинамического сопротивления передней части этой совокупности тел (определяемого как сумма сил, действующих на диск и на переднюю часть кругового цилиндра), а также оптимального диаметра диска и расстояний от него до цилиндра, при которых сопротивление передней частя было бы минимальным. Коэффициент аэродинамического сопротивления передней части одного цилиндра при острой кромке среза равнялся 0,75. В результате скругления кромки по радиусу, равному одной восьмой части диаметра цилиндра, коэффициент аэродинамического сопротивления передней части уменьшается до нуля при условии отсутствия пограничного слоя на передней поверхности. Число Рейнольдса в этом эксперименте принимало значение в диапазоне 100 000—800 000.


 

 

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАДНЕЙ ЧАСТИ КУЗОВА

Отрыв потока. Если стратегия уменьшения аэродинамического сопротивления передней части кузова состояла в том, чтобы избежать отрыва потока, то для задней части кузова эта стратегия неприемлема: для предотвращения отрыва потока заднюю часть пришлось бы сделать непомерно длинной. Итак, при обтекании задней части кузова неизбежно происходит отрыв потока, обычно весьма значительный.

Отрыв потока от задней части кузова может происходить двумя совершенно различными способами. Один из них двумерный (или осесимметричный) отрыв, а другой трехмерный. Первый из этих типов изучен лучше. Он происходит в ситуации, когда пограничный слой, образующийся у поверхности, в области положительного градиента давления достигает точки, в которой градиент скорости в перпендикулярном поверхности направлении уменьшается до нуля. В этой точке поток отрывается от поверхности, градиент давления уменьшается, и между обтекаемой поверхностью и оторвавшимся потоком возникает встречный поток. В силу требований непрерывности оторвавшийся поток где-то соединяется с основным потоком, образуя замкнутую область циркуляции воздуха. Если область циркуляции мала и локализована, поток присоединяется опять к поверхности обтекаемого тела, и такая область обычно называется «пузырем». Такое происходит, как правило, при локальных отрывах потока, вызванных резкими изменениями кривизны выпуклых или вогнутых участков поверхности и наличием ступенек, обычных для задней части кузова. В результате отделения потока от задней части кузова образуются большие области циркуляции, огибающие остальную заднюю часть кузова и замыкающиеся далее по потоку. Эти области никогда не бывают установившимися, случайные или периодические колебания их размеров могут быть весьма существенными. При общепринятом описании областей отрыва с помощью осредненных по времени значений характеристик обтекающего потока этот неустановившийся характер оказывается завуалированным, однако он всегда имеет место.


 

Трехмерный отрыв потока по своей природе гораздо более сложен. Он происходит при обтекании неосесимметричных тел и при обтекании симметричных тел, наклоненных по отношению к потоку. В соответствии с предложенным Вэнгом определением существуют два основных вида трехмерного отрыва потока — закрытый и открытый. При закрытом отрыве потока линия, ограничивающая поверхность отрыва, делит поток на две части каждая из которых начинается со своей точки застоя. Вдоль этой линии основной поток отделяется от области циркуляционного течения во многом подобно тому, как это происходит в двумерном случае, т. е. в точке отрыва потока. При открытом отрыве потока линии тока к обеим сторонам поверхности раздела приходят из одной и той же точки застоя. Основной особенностью открытого отрыва является образование (при отрыве потока от поверхности) движущихся вдоль линии отрыва вихрей. Примеры открытого отрыва можно наблюдать на боковых кромках крыльев конечного размаха и над передними кромками дельтовидных крыльев при некоторых углах атаки. Интересной особенностью открытого отрыва является то, что поток при этом установившийся, и области циркуляционного потока нет; это обстоятельство имеет большое значение в качестве применения в аэродинамике самолета (примером может служить расчет крыла для сверхзвукового самолета «Конкорд»).

Понимание сложностей картины трехмерного отрыва потока имеет большое значение для проектирования конструкций с малым аэродинамическим сопротивлением, поскольку обычные представления, основанные в большинстве своем на анализе двумерных потоков, могут оказаться ошибочными. Хорошо известный и экспериментально подтвержденный факт, что в спутной струе за автомобилем образуются сильные вихри, указывает на более сложный открытый характер трехмерного отрыва потока при обтекании автомобилей. Очень полезную информацию о трехмерном отрыве потока можно найти в работах Пика и Тобака и Ландала.


 

Критические конфигурации. В литературе можно найти много информации о сопротивлении от давления при обтекании тел необтекаемой формы и о механизмах возникновения этого сопротивления. Рассмотрение этой информации вселяет надежду, что, используя некоторые факты, можно, по крайней мере, предсказать тенденции изменения сил и картин обтекания при изменении формы тела. Полезным результатом изучения этой информации было бы её использование для более грамотной постановки экспериментальных исследований. Однако, хотя возможности более точного предсказания особенностей поведения тел необтекаемой формы в потоке, несомненно, постоянно возрастают, необходимость систематических экспериментальных исследований обтекания тел при изменении их параметров с целью отыскания оптимальной для решения поставленной задачи формы, будет всегда охраняться.

Одной из причин сохранения необходимости проведения систематических экспериментальных исследований является существование так называемых «критических конфигураций», т. е. таких ситуаций, когда при изменении какого-либо параметра Формы тела его аэродинамическое сопротивление достигает локального максимума. Существование максимума, т. е. немонотонное изменение величины CD с изменением какого-либо параметра вносит определенные трудности. При этом приходится сталкиваться с различными закономерностями изменения величину в различных диапазонах изменения параметра и с тем, что смена закономерностей происходит при некотором заранее неизвестном значении параметра. В литературе по аэродинамике тел необтекаемой формы есть ряд примеров детального исследования таких критических конфигураций. Фактически их, вероятно, гораздо больше, но они не все тщательно исследовались и по ряду причин не обо всех сообщалось в печати либо потому, что результаты исследований были неожиданными и поэтому не внушали доверия, либо потому, что результаты не представляли интереса с точки зрения частных целей проводившихся исследований, и поэтому, как говорится, они остались за кадром.

Критические конфигурации могут встретиться и у тел гладкой формы, как, например, это случилось в ходе исследования Мейром влияния на аэродинамическое сопротивление осесимме-тричных тел длины хвостовой части обтекаемой формы при ReD = = 460 000. Для трех из восьми испытанных хвостовых частей обтекаемой формы он установил наличие критических значений длины, при которых аэродинамическое сопротивление достигало максимума (длина каждой хвостовой части изменялась простым отсечением ее).


 

Один из случаев критической конфигурации для автомобилей описан Джанссеном и Хучо. Они экспериментально исследовали влияние на аэродинамическое сопротивление изменения угла наклона крыши задней части автомобиля и обнаружили, что в малом диапазоне значений углов наклона крыши (25—35°) кривая аэродинамического сопротивления имеет большой локальный максимум.

Следует отметить, что большинство, если не все, приведенных примеров критических конфигураций были обнаружены случайно, никакого критического поведения заранее не ожидалось. Тот факт, что увеличение аэродинамического сопротивления часто было неожиданным, связан со сложностью и трудностями исследования потоков, при которых оно возникает. Это означает, что для выявления критических конфигураций и описаний их поведения следует использовать результаты систематических экспериментальных исследований. Наконец, приведенные выше примеры показывают, что критичность конфигурации может быть причиной заметного повышения аэродинамического сопротивления, и это следует иметь в виду конструкторам автомобилей.

Профилирование задней части кузова. Автомобили являются лишь одним из примеров тел необтекаемой формы, имеющих практическое приложение. Существует большое количество литературы, посвященной обтеканию тел необтекаемой формы вообще и в связи с другими различными приложениями. Вопрос возможности применения литературы о телах необтекаемой формы к автомобилям рассмотрен в обзорах Маулла и Мейра. Они установили, что в большинстве работ, посвященных телам необтекаемой формы, рассматриваются простые двумерные тела, такие как круговые цилиндры и затупленные профили крыльев, в меньшей части работ рассматриваются простые осесимметрич-ные тела. Особое внимание уделялось изучению донных течений, т. е. течений потока, оторвавшегося от затупленного конца тела, и различным средствам уменьшения донного сопротивления.


 

Основное внимание обращалось на увеличение донного давления, был предложен и испытан ряд средств осуществления этого увеличения. Показано, что некоторые из этих средств весьма эффективно уменьшают донное сопротивление двумерных тел. Примерами могут служить рассекатели, помещенные вдоль центральной линии тела в непосредственной близости к нему в спутной струе для того, чтобы изолировать друг от друга два оторвавшихся пограничных слоя; донный отсос — выброс воздуха с малой скоростью в область отрыва потока в конце тела; аспирационная кавитация — образование кавитационных полостей в дне и перфорирование их стенок; нанесение надрезов или зазубрин по краям, цель которых препятствовать вихреобразованию, и придание задней части обтекаемой формы — сужение боковых стенок задней части кузова.

Анализируя все эти методы уменьшения аэродинамического сопротивления, Мейр пришел к выводу, что эффективность большинства из них обусловлена эффектом ослабления или исключения вихреобразования. Известно, что обычно вихреобразование является фактором, в основном определяющим величину донного сопротивления двумерных тел. Однако, поскольку в спуных струях осесимметричных и трехмерных тел вихреобразование в непосредственной близости у тел, как правило, очень мало, эти методы для таких тел будут, по-видимому, мало эффективны. Донное давление у осесимметричных и трехмерных тел всегда намного меньше, чем у двумерных, различие в основном обусловлено отсутствием вихреобразования. Мейр привел несколько примеров, показывающих, насколько снижается эффективность этих методов при применении их к осесимметричным телам. Эффективность снижения донного сопротивления уменьшается на порядок. Еще более удивительная вещь происходит при применении к осесимметричным телам метода создания кавитационных полостей, одного из наиболее эффективных методов для двумерных тел. В результате применения этого метода при продольном обтекании осесимметричного цилиндра было установлено,.что кавитационные полости малой глубины незначительно уменьшали аэродинамическое сопротивление, а кавитационные полости, глубина которых превышала половину диаметра цилиндра, намного увеличивали сопротивление. Это чрезвычайно большое увеличение сопротивления пока еще не получило объяснения.


 

Единственный успешно используемый для двумерных тел метод уменьшения сопротивления, который, как было показано Мейром, возможно применять и для трехмерных тел, — это придание хвостовой части обтекаемой формы. Этот метод, к тому же, единственный из перечисленных ранее, при котором снижение сопротивления не зависит от уменьшения частоты пульсаций в спутном следе. Этот метод заключается в придании телу обтекаемой формы путем сужения его хвостовой части для возмещения низкого донного давления и уменьшения площади дна. Большинство работ по приданию хвостовой части тела обтекаемой формы относятся к двумерным профилям крыльев или к осесимметричным цилиндрам. Доступными работами, относящимися к осесимметричным телам, являются, по-видимому, лишь упомянутая работа Мейра и диссертация Востока. Результаты, приведенные в этих работах, глубоко проанализированы Мей-Ром. Много исследований, конечно, проведено в связи с приложениями к снарядам и фюзеляжам самолетов, однако информация о них труднодоступна.

Одним из наиболее популярных методов увеличения донного Давления у автомобилей является донный отсос. Одно из первых исследований, выполненных с целью приложений к автомобилям было осуществлено Сайксом, исследовавшим влияние отсоса на сопротивление осесимметричного цилиндра вдали от поверхности земли и около нее. Донный отсос осуществлялся через центральное отверстие, диаметр которого изменялся от 20 до 78% диаметра цилиндра. При наибольшем диаметре отверстия, через которое подается отсасываемый воздух, и близких к 0,06 безразмерных расходах отсасываемого воздуха (отношение расхода отсасываемого воздуха в единицу времени к произведению скорости набегающего потока на площадь дна) было достигнуто умеренное снижение коэффициента сопротивления на 0,035. Как можно видеть, донный отсос наиболее эффективен при большой площади отсоса и довольно малой подаче отсасываемого воздуха. Несколько большее снижение аэродинамического сопротивления было получено при помещении у отверстия для подачи отсасываемого воздуха пористого экрана, что позволяло добиться равномерности скорости движения отсасываемого воздуха.


 

Эксперименты Сайкса были повторены Пржирембелем, пришедшим, по существу, к таким же выводам. Поскольку количество воздуха, необходимого для осуществления донного отсоса, невелико, такой подход выглядит практически осуществимым. Однако, рассматривая эту проблему более внимательно, нетрудно установить, что доступных для осуществления донного отсоса потоков воздуха, используемого для вентиляции салона для пассажиров, выпускных газов и воздуха, предназначенного для охлаждения двигателя, недостаточно. Это означает, что для подачи необходимого количества воздуха требуется дополнительный насос. Эффективность такой вспомогательной системы была проанализирована Мейром, который пришел к выводу, что получаемое при этом уменьшение аэродинамического сопротивления было бы с лихвой перекрыто насосными потерями и потерями количества движения при вдуве. Таким образом, донный отсос нельзя считать перспективным методом уменьшения сопротивления.

Кроме упомянутых ранее методов уменьшения аэродинамического сопротивления предложено много других. К ним относятся регулирование пограничного слоя с помощью отсоса или вдува, направляющие лопатки в местах большой кривизны, движущиеся поверхности и даже выступающие элементы.

Большинство этих предложений при более тщательной проверке оказываются нецелесообразными, поскольку либо они не дают никаких преимуществ при рассмотрении всей системы в целом, либо преследуемая ими цель гораздо проще достигается улучшением формы автомобиля. По-видимому, единственным исключением, по сообщениям Хескестада, из «правила», гласящего, что в системе в целом нельзя добиться никакого выигрыша механическими средствами, является «эффект краевого отсоса».


 

Кузова автомобилей весьма разнообразны: от седанов через Кузова с полого спускающейся крышей и кузова с задней дверью до фургонов. (К последнему стилю относятся также автофургоны, грузовики и автобусы). Переход от одного стиля к другому можно рассматривать как выбор формы задней части кузова, которая может оказать существенное влияние на величину аэродинамического сопротивления. Основное отличие всех этих стилей друг от друга состоит в значении угла наклона крыши. Джанссен и Гухо установили, что при углах наклона, близких к 30°, наблюдается резкое возрастание аэродинамического сопротивления автомобилей с задней дверью. Этот результат стимулировал фундаментальные исследования Морела влияния угла скоса основания осесимметричного цилиндра, в которых угол скоса основания менялся от 90° (вертикальное основание) до 20°.

Был осуществлен ряд экспериментов по изучению влияния турбулентности набегающего потока, скругления верхнего края (крыши), относительного удлинения скошенной поверхности и анализу эффективности козырьков. Влияние турбулентности набегающего потока интенсивностью 6 % состояло в смещении критического значения угла скоса в сторону несколько больших значений, в остальном же вид кривой аэродинамического сопротивления остался неизменным. Скругление верхнего края, с другой стороны, имеет ярче выраженный эффект, заключающийся в смещении критического значения угла в сторону существенно больших значений. Наибольший эффект из всех указанных параметров оказала величина относительного удлинения наклонной поверхности (отношение ширины наклонной поверхности к ее длине). Было установлено, что при приближении относительного удлинения к единице прирост коэффициента сопротивления значительно увеличивается по сравнению с изображенным для относительного удлинения величиной 1,5. В этом случае отношение максимального значения коэффициента сопротивления при критическом значении угла к минимальному значению при малых углах скоса равнялось 3,5 в свободном потоке и 2,3 около поверхности, а само критическое значение угла смещалось в сторону больших значений угла скоса.


 

Приведенные результаты указывают на необходимость принятия специальных мер при конструировании автомобилей с задней дверью, чтобы избежать выбора угла наклона, близкого к критическому. Следует подчеркнуть, что приведенные критические значения углов нельзя считать точными. Величина критическог угла зависит от точных пропорций тела, и на нее, конечно, влияют условия обтекания передней части кузова. Важно лишь помнить о существовании критического угла и о том, что его значения могут находиться в диапазоне углов наклона, обычно привлекающем внимание создателей автомобилей с задними дверьми. Чтобы избежать выбора угла, близкого к критическому, следует помнить о возможности уменьшения сопротивления при более крутом угле наклона для автомобилей с задней дверью или при более пологом угле (менее 20°) для автомобилей с плавно спускающейся крышей Реализация каждой из этих возможностей имеет свои преимущества и свои недостатки: при крутом угле, образуется замкнутая область отрыва потока, что способствует загрязнению заднего окна, при пологом угле проблемы загрязнения не существует но ухудшается видимость. К счастью, оказывается, что умелое использование дефлекторов может поправить дело. В зависимости от угла наклона, т. е. от режима обтекания наклонной поверхности, иногда целесообразно прикреплять дефлектор к верхней части крыши (при углах наклона 25—45°), а при более пологих углах (15—25°) эффективнее устанавливать дефлектор в нижней части наклонной поверхности.

Результаты, полученные на простых моделях, подтверждают то, что уже известно относительно автомобилей-фургонов — аэродинамическое сопротивление автомобилей-фургонов, несмотря на их необтекаемую форму, меньше сопротивления седанов. Сопротивление автомобилей-фургонов также меньше, чем у автомобилей с задней дверью, и оно превышает сопротивление лишь автомобилей с очень полого спускающимися крышами. В этой связи следует упомянуть об интересных наблюдениях Ахмеда и Бауметра движения вихрей в спутных следах моделей автомобиля с плавно спускающейся крышей и автомобиля-фургона. Они обнаружили, что вихри в спутном следе автомобиля-фургона слабее, чем в спутном следе автомобиля с плавно спускающейся крышей, и что они вращаются в противоположном направлении!

Кажется вполне правдоподобным, что при некотором промежуточном значении угла между значением для автомобиля с плавно спускающейся крышей (22°) и значением для автомобиля-фургона (0°) в спутном следе вообще не будет движущихся вихрей. Это будет примерно соответствовать изображенному на рис. 10.26 минимуму сопротивления, указывая на то, что величина сопротивления связана с мощностью вихрей в спутном следе. Это существенное обстоятельство, заслуживающее дальнейшего изучения. Дополнительную информацию о влиянии скошенных оснований можно найти в обзоре Бирмана. Интересный результат в этой области получил Маулл, установивший, что на величину критического угла и степень увеличения аэродинамического сопротивления очень сильно влияет угол наклона всего кузова: положительный наклон усиливает эффект, а отрицательный — сглаживает. Проблема увеличения сопротивления из-за скоса основания рассматривалась также применительно к грузовым самолетам со скошенной хвостовой частью фюзеляжа, сведения об этом можно найти в работе Пика и Тобака.


 

 

ВИХРЕВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Общеизвестно, что наличие подъемной силы увеличивает аэродинамическое сопротивление. Это подтверждается многочисленными экспериментальными данными, свидетельствующими, что изменения формы кузова, приводящие к уменьшению подъемной силы, одновременно позволяют уменьшить аэродинамическое сопротивление. Та часть аэродинамического сопротивления, которая сопутствует подъемной силе, часто оценивается в 10 % полного сопротивления, а иногда даже и больше. Хотя эта сила сопротивления не является основной частью полного сопротивления, она примечательна в одном отношении: ее можно полностью исключить, в то время как остальные составляющие исключить нельзя. Таким образом, сопутствующее подъемной силе сопротивление заслуживает особого внимание с точки зрения возможности уменьшения аэродинамического сопротивления.

Это сопротивление обычно принято называть «индуктивным сопротивлением». Однако этот термин имеет некоторые смысловые оттенки, которые нельзя применить к автомобилям, так что его использование может привести к недоразумениям. Понятие индуктивного сопротивления возникло в аэродинамике. Истоки его восходят к работам Ланчестера и Прандтля, которые обнаружили это сопротивление при исследовании крыльев самолета конечного размаха (при обтекании двумерных, т. е. бесконечно длинных крыльев сопротивление, сопутствующее подъемной силе, отсутствует). При рассмотрении модели идеального невязкого потока над крылом и в его спутном следе было сделано предположение о скосе потока за крылом, создающем кажущийся угол атаки обтекания самого крыла. Результатом обтекания под углом атаки является возникновение действующей на крыло подъемной силы, линия действия которой наклонена в противоположную сторону, проекция этой силы на направление потока и представляет собой «индуктивное сопротивление».

Поскольку величины относительного удлинения автомобилей малы, представляет интерес рассмотреть экспериментальные и теоретические результаты, полученные НАСА для крыльев малого относительного удлинения, порядка единицы. Важный вклад в понимание механизма возникновения подъемной силы и сопротивления таких крыльев внес Полхамус. Он исследовал механизм возникновения подъемной силы тонких дельтовидных крыльев с заостренными передними кромками, в результате отрыва потока от которых образуются движущиеся вихри. Исследования Полхамуса были продолжены Ламаром, изучившим обтекание тонких крыльев с боковыми кромками (прямоугольных крыльев).


 

Движущей силой потока вдоль нижней поверхности таких крыльев является давление над боковой кромкой и на верхней поверхности, где поток отрывается и образуются движущиеся вихри. Эти вихри проходят вблизи верхней поверхности и создают область пониженного давления под собой, результатом чего является возникновение перпендикулярной к поверхности силы, составляющими которой являются подъемная сила и сила сопротивления. Эта подъемная сила, называемая вихревой подъемной силой, увеличивает подъемную силу, которая существовала бы при безотрывном обтекании. Вихревая подъемная сила нелинейна, ее величина возрастает примерно пропорционально квадрату угла атаки. Отношение величины вихревой подъемной силы к величине подъемной силы при безотрывном обтекании увеличивается с уменьшением относительного удлинения (большая часть верхней поверхности подвергается воздействию вихрей) и с увеличением угла атаки.

Автомобили представляют собой сравнительно толстые тела малого удлинения, так что ни теория Ланчестера — Прандтля, ни модель Полхамуса — Ламара к ним непосредственно неприменимы, но более подходящей для них представляется последняя. Следовательно, можно ожидать, что сопутствующее подъемной силе аэродинамическое сопротивление автомобиля будет пропорционально величине CL в степени, меньшей 2. Однако, прежде чем применять для автомобиля соотношения такого типа, следует учесть, что частично действующая на автомобиль подъемная сила обусловлена земной поверхностью (или ее «образом»), благодаря чему возникают дополнительные трудности. Вследствие указанных обстоятельств нет никакой гарантии, что путем устранения подъемной силы, например, в результате изменения ориентации кузова, удастся минимизировать аэродинамическое сопротивление. Минимум может достигаться при наличии малой подъемной силы.


 

 

ВЛИЯНИЕ БЛИЗОСТИ ЗЕМЛИ

Одной из отличительных особенностей автомобилей является то, что они движутся в непосредственной близости к поверхности земли. Как выявлено Твайтсом, для симметричного не создающего подъемной силы тела конечной толщины при обтекании его с зеркальным отражением, линии тока искривляются и начинается циркуляция потока. В результате поток над передней частью реального тела отклоняется вверх, а над задней — вниз. По отношению к искривленным линиям тока этого измененного набегающего потока тело как бы принимает эффективное очертание, изогнутое вниз, и возникает сила, направленная к зеркальному отражению тела.

Эта простая картина, изображенная Твайтсом, описывает обтекание не создающего подъемной силы тела конечной толщины при не очень близком расположении его у земли. Если распространить подобные рассуждения на случай обтекания тел, создающих подъемную силу вследствие особенностей их очертания или наличия угла атаки, можно установить, что близость земли сказывается двояким образом. Когда подъемная сила отрицательна (направлена к земле), влияние зеркального отражения тела на картину обтекания его самого будет аналогично описанному ранее. В результате отрицательная подъемная сила будет увеличиваться по абсолютной величине по мере уменьшения расстояния от тела до земли. Однако, если подъемная сила положительна, изменение линий тока имеет противоположный характер, и контур тела как бы принимает эффективное очертание, изогнутое вверх. В этом случае по мере приближения к поверхности земли подъемная сила будет непрерывно увеличиваться. Эффект влияния угла атаки и эффект конечной толщины тела (который всегда присутствует) будут противоборствовать друг с другом, и результирующее изменение величины подъемной силы при изменении расстояния до земли будет зависеть от их относительной роли.

Подтверждение этим выводам можно найти в работе Саундерса, который использовал линеаризованную двумерную модель для исследования обтекания крыльев с учетом влияния близости земной поверхности. Он установил, что по мере приближения к земле вследствие влияния толщины подъемная сила стремится к отрицательным значениям, в то время как подъемная сила, обусловленная углом атаки, увеличивается. Случай очень сильного влияния земли рассматривался Уидналлом и Барроузом, исследовавшими крыло конечного размаха в непосредственной близости у земли. В этом случае влияние толщины и подъемной силы разделить нельзя. При этом было установлено, что величина коэффициента подъемной силы зависит только от очертания нижней поверхности крыла и поверхности земли. Дальнейшее развитие этих исследований было осуществлено Такком, который изучал обтекание двумерного тела с поперечным сечением, напоминающим очертания автомобиля, в непосредственной близости у земли.


 

Ему удалось получить численное решение, но при этом возникли трудности, связанные с заданием физически достоверного условия на задней кромке. Такое условие (по существу условие Кутты) необходимо для фиксации точки застой в задней части и исключения таким образом циркуляции вокруг тела. Однако он заметил, что задание условия отсутствия циркуляции приводит к возникновению отрицательной подъемной силы вследствие эффекта Вентури в зазоре под телом, являющегося, в свою очередь, следствием конечной толщины тела. Проблема точки застоя в задней части тела была решена Факкреллом, рассмотревшим тело с тупым дном, на котором выбирались фиксированные точки отрыва потока. Предполагалось, что поток полностью отрывается от дна, и донное давление считалось равномерно распределенным, величина его могла быть произвольной. В этой модели учитывался спутный след.

Все вышеприведенные рассуждения и результаты относились к исследованиям обтекания невязким потоком. В реальных ситуациях в процессе обтекания образуются пограничные слои, и, если форма тела достаточно гладкая, существует некоторая свобода в расположении линии отрыва потока. Влияние этих факторов необходимо исследовать экспериментально. Особенно важное значение имеет пограничный слой, образующийся у нижней поверхности, где при малом расстоянии от земли очень велики градиенты давления. Одно из первых исследований этой проблемы было осуществлено Финком и Ластингером, которые изучали обтекание крыльев с малым относительным удлинением, близким к единице. Чтобы избежать образования пограничного слоя у земли, они изучали обтекание крыла с его зеркальным отражением. Их результаты подтвердили теоретические выводы о том, что и положительная и отрицательная подъемные силы, образующиеся при обтекании под углом атаки, увеличиваются по мере приближения к земле. Во всех опубликованных позднее экспериментальных исследованиях земная поверхность моделировалась полностью. Примерами таких исследований являются работы Столлери и Барнса, которые испытывали закругленную каплевидную модель, Уотерса, изучавшего обтекание эллиптических и полуэллиптических крыльев очень малого удлинения, и Факкрелла, испытавшего трехмерную Модель, продольное сечение которой имело такую же форму, как и изученное им теоретически двумерное тело, о котором говорилось ранее. Закономерности, обнаруженные в результате этих исследований, согласуются с теоретическими выводами. Основным исключением было поведение в непосредственной близости к земной поверхности. В первых двух работах (но не в последней) была обнаружена тенденция, противоречащая теоретическим выводам об уменьшении подъемной силы при уменьшении расстояния до поверхности земли. Характер изменения подъемной силы менялся, и она, в конце концов, начинала увеличиваться. Начальное уменьшение подъемной силы обусловлено ускорением потока под телом (эффект Вентури) и образованием под ним области пониженного давления. Когда зазор между телом и землей конечен, но мал, вязкость препятствует прохождению потока через него, и частично поток направляется над телом, снижая там давление и увеличивая подъемную силу. Этот механизм объясняет нарушение закономерности изменения подъемной силы. При невязком обтекании такое явление наблюдается лишь когда тело фактически касается поверхности земли.


 

Как мы видели, близость поверхности земли оказывает большое влияние на величину подъемной силы. Каким образом эта подъемная сила влияет на аэродинамическое сопротивление? Влияет ли она так же, как и подъемная сила, причиной возникновения которой является ориентация кузова? Этому вопросу уделялось мало внимания. Единственное обращение к нему можно найти в работе Такка, который предположил, что при отсутствии циркуляции вокруг продольного сечения тела даже при отрицательной подъемной силе (возникающей предположительно из-за влияния толщины) сопротивление, связанное с подъемной силой, будет отсутствовать. Можно считать, что экспериментальные данные, приведенные в упомянутых в этом разделе работах, подтверждают эту гипотезу. Однако экспериментов, специально предназначенных для ее проверки, не было, а имеющиеся данные носят отрывочный характер, так что окончательные выводы делать рано.

Мысль о том, что любая подъемная сила, независимо от причины ее возникновения, влияет на аэродинамическое сопротивление, была высказана Морелли, который на основе этой предпосылки рассчитал форму тела малого сопротивления. Используя простую двумерную математическую модель, описывающую лишь кривизну сечения тела (влияние толщины тела не учитывалось), он построил линию, соответствующую отсутствию подъемной силы и момента относительно поперечной оси около поверхности земли. В остальном форма тела, локальная толщина и поперечное сечение могли быть произвольными. Требовалось лишь, чтобы в направлении потока они менялись постепенно. Испытания в аэродинамических трубах моделей, созданных с помощью указанного теоретического подхода, показали, что они обладают очень малыми коэффициентами аэродинамического сопротивления (близкими к 0,05) при характерных для автомобилей расстояниях от поверхности земли. Хотя многие использовавшиеся при создании таких моделей предположения не слишком реалистичны, например, использование двумерной теории и произвольность выбора толщины и поперечного сечения тела, эта попытка указывает возможные направления будущих исследований, она является очередным продвижением вперед на пути понимания взаимозависимости причин возникновения подъемной силы и аэродинамического сопротивления.

Почти во всех исследованиях по аэродинамике автомобиля поверхность земли моделировалась неподвижной плоскостью, хотя понятно, что для моделирования дорожной ситуации правильнее было бы использовать движущуюся ленту. Основная причина такого состояния дел заключается в существенном усложнении методики эксперимента при использовании движущейся ленты. Кроме того, большинство практиков, занимающихся исследованиями автомобилей, считают, что при характерных для автомобилей расстояниях до земли различия в результатах определения силы сопротивления при 1,° подвижной и неподвижной земной поверхности почти нет. Это предположение подтверждается результатами Факкрелла и Бирмана, оно согласуется с общей закономерностью, в соответствии с которой на аэродинамическое сопротивление не влияет величина расстояния до земли. Вероятным исключением из этого «правила» могут быть эксперименты по исследованию влияния приобретающих популярность передних спойлеров под кузовом, расстояние от которых до земли мало. Вследствие этого следует проявлять осторожность при экстраполяции на дорожные ситуации результатов, полученных при исследовании автомобилей с такими экспериментами в аэродинамических трубах, где дороги моделируются неподвижной плоскостью.


 

Заканчивая обсуждение влияния близости земли, следует сделать замечание относительно влияния угла набегания потока. Подъемная сила типичного автомобиля почти всегда положительна, коэффициент подъемной силы CL может принимать различные значения: от близких к нулю до 0,5 или даже больше. При набегании потока на автомобиль (и тела сходной формы) под некоторым углом к направлению движения в условиях близости земли подъемная сила значительно увеличивается. Это справедливо даже для тел симметричной формы, подъемная сила которых вдали от поверхности равна нулю при любых углах набегания потока. Причиной этого увеличения служит то, что автомобили обычно имеют удлиненную форму в направлении движения, и поэтому при боковом обтекании площадь сечения, которая обтекается воздухом, больше. Аэродинамическое сопротивление при боковом обтекании также увеличивается. Пока не выяснено, обусловлено ли увеличение аэродинамического сопротивления в основном увеличением подъемной силы или отрывом потока от подветренной стороны автомобиля. Однако, если принять во внимание величину этого увеличения аэродинамического сопротивления (оно часто составляет 50 % и более)»; второй механизм, по-видимому, преобладает.


 

 

ТУРБУЛЕНТНОСТЬ НАБЕГАЮЩЕГО ПОТОКА

Турбулентность набегающего потока — термин, обозначающий случайные колебания фонового уровня скорости потока во всех трех измерениях, имеющие место в любом потоке жидкости и газа. Ее показатели, например интенсивность и спектральный состав, зависят от того, как образуется турбулентность, и от изменения параметров потока до его подхода к исследуемой точке. Турбулентность набегающего потока присутствует в естественном ветре, и все обдуваемые ветром тела подвергаются ее влиянию. Турбулентность также образуется в спутных струях за препятствиями. Автомобили подвергаются воздействию турбулентности, порождаемой ветром и потоками, обтекающими другие автомобили. Даже при исследованиях в аэродинамических трубах, предназначенных для создания ламинарного равномерного потока, наблюдается незначительная турбулентность.

Одним из последствий наличия турбулентностей в потоке является возникновение неустановившихся ударных нагрузок. Кроме того, в результате сложного взаимодействия турбулентности с обтекающим тело потоком может измениться картина обтекания. Именно это взаимодействие и его влияние на осредненные по времени значения аэродинамических сил представляют наибольший интерес в контексте данной главы. Указанные вопросы недавно были исследованы Бирманом и Морелом. Результаты, представляющие интерес с точки зрения аэродинамики автомобиля, кратко изложены ниже.

Известны три основных механизма взаимодействия турбулентности набегающего потока с основным потоком: ускоренный переход к турбулентности в пограничных слоях, интенсивное перемешивание и вовлечение новых частиц в эти пограничные слои и искажение самой турбулентности набегающего потока под воздействием основного потока. Конечный эффект воздействия турбулентности набегающего потока часто является результатом действия более чем одного из этих основных механизмов.

Обычно турбулентность характеризуется интенсивностью и линейным размером. Интенсивность наиболее часто определяется как отношение корня из среднеквадратичного отклонения скорости в направлении потока воздуха и к скорости основного потока. Турбулентность возникает в пограничных слоях, которые обычно появляются в местах, противостоящих потоку. Интенсивность принято характеризовать условными терминами: «высокая», т. е. равная примерно 10 % и характерная, например, для естественного ветра, «низкая» — менее 5 %, и «очень низкая»— менее 0,1 %, соответствующая уровням турбулентности в аэродинамических трубах. Турбулентность набегающего потока, интенсивность которой имеет порядок 1 или 2 %, обычно никаким специальным термином не называется. Интенсивность турбулентности потока при движении по автомобильным дорогам может принимать разнообразные значения в зависимости от наличия ветра, скорости движения автомобиля и движения других автомобилей. Тем не менее, можно показать, что в качестве типичной величины интенсивности турбулентности для автомобилей можно принять 5 %. В аэродинамических трубах, используемых для исследования аэродинамики автомобилей, интенсивность турбулентности набегающего потока близка к 0,5 % т. е. в 10 раз меньше.

В зависимости от механизма воздействия турбулентности он может быть отрицательным (обычно близким к —0,2), когда важное значение имеет турбулентность малых размеров, например, в случае перехода ламинарных пограничных слоев в турбулентные. В других случаях оказывается, что наилучшим образом экспериментальные данные удается описать при положительных показателях степени порядка единицы возможно потому, что при этом существенное значение имеет турбулентность большого линейного размера. Наконец, в ряде других ситуаций размер турбулентности совсем не имеет никакого значения. Во всех этих случаях, однако, следует подчеркнуть, что использование параметров, определенных соотношением типа, должно быть ограничено такими случаями, когда размеры турбулентности набегающего потока сравнимы с характерным размером обтекаемого тела.

Изменение силы сопротивления в результате влияния на характер обтекания турбулентности набегающего потока может быть весьма существенным. Один пример сравнения характера влияния угла скоса основания на величину аэродинамического сопротивления ламинарному и турбулентному потокам уже рассматривался ранее. Другой пример относится к турбулизации потока, обтекающего двумерный цилиндр, и влиянию турбулентности на отрыв потока и величину аэродинамического сопротивления в диапазоне критических значений чисел Рейнольдса. Увеличение интенсивности турбулентности приводит к более раннему отрыву потока и очень большому (60 %) снижению аэродинамического сопротивления. Турбулентность набегающего потока влияет на тела с фиксированными точками отрыва. Противоположная тенденция обнаружена при обтекании турбулентным потоком куба, донное Давление в этом случае существенно возрастало при увеличении Интенсивности турбулентности.

Основной вывод, который можно сделать на основании этих экспериментальных данных, заключается в том, что влияние турбулентности набегающего потока не сводится просто к увеличению «эффективного» числа Рейнольдса потока, как это часто предполагается. В действительности, влияние гораздо сложнее и трудно предсказуемо. Коэффициент аэродинамического сопротивления может изменяться очень сильно, причем направление изменения может быть любым: аэродинамическое сопротивление может как увеличиваться, так и уменьшаться. Это свидетельствует о целесообразности проведения испытаний в потоках, моделирующих интенсивность и линейный размер турбулентности набегающего потока, ожидаемые в дорожных условиях.

Влияние турбулентности набегающего потока на величину аэродинамического сопротивления применительно к аэродинамике автомобиля изучалось Бакли и др. и Купером и Кемпбеллом, пришедшими к выводу, что наличием турбулентности набегающего потока в реальных дорожных условиях пренебрегать нельзя. Купер и Кемпбелл попытались разработать теорию, которая позволяла бы экстраполировать (корректировать) результаты, полученные при ламинарном обтекании в аэродинамической трубе, на реальные дорожные условия. Предложенная ими теория основы.


 

 

МАЛЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Сопротивление от трения о поверхность кузова. При обтекании тела потоком воздуха кроме сил давления на поверхности обтекаемого тела возникают касательные усилия трения. Для тела необтекаемой формы сопротивление от трения гораздо меньше сопротивления от давления. Его величина зависит от толщины пограничного слоя и, вследствие этого, от числа Рейнольдса. В противоположность этому, аэродинамическое сопротивление от давления практически не зависит от числа Рейнольдса, и, таким образом, полное сопротивление тела от числа Рейнольдса зависит слабо. Величину сопротивления от трения для гладкого тела можно оценить следующим образом. В качестве модели типичного автомобиля рассмотрим параллелепипед с отношением длины к ширине и к высоте, равным 3 : 1,33 : 1. Для тела такой формы отношение полной площади поверхности, параллельной направлению движения, к площади лобовой поверхности примерно равно 10. Взяв в качестве типичного значения коэффициента трения в представляющем интерес диапазоне чисел Рейнольдса величину, равную 0,002, получаем, что вклад сопротивления от трения в коэффициент полного сопротивления близок к 0,02. Это составляет около 5 % коэффициента аэродинамического сопротивления типичного автомобиля. Можно отметить, что коэффициент сопротивления тела оптимальной каплевидной формы, который почти полностью определяется сопротивлением от трения, равен 0,04 (Скибор—Рыльский), т. е. почти в 2 раза больше указанной выше величины. Эта разница объясняется наличием некоторого сопротивления от давления при обтекании каплевидного тела и также большей величиной отношения площади поверхности трения к площади лобового сечения.

Поверхность современного автомобиля не совсем гладкая, на ней имеется много неровностей, таких как оконные углубления, Щели у дверей и т. п. Эти неровности могут рассматриваться как Шероховатости поверхности, и их влияние на аэродинамическое сопротивление можно учесть, увеличивая величину коэффициента трения о корпус. При таком определении аэродинамического сопротивления от трения его вклад в полное сопротивление будет, гораздо больше, для современных конструкций автомобилей он вероятно, составит от 10 до 15 %.

Внутреннее сопротивление. Часть потока воздуха пропускается внутри автомобиля с целью охлаждения различных его элементов и вентиляции. Количество воздуха, необходимого для вентиляции, достаточно мало, и его влиянием можно пренебречь. Поток воздуха, необходимого для охлаждения двигателя, гораздо более значителен. Движение воздуха внутри автомобиля осуществляется либо за счет разности давлений на входе и выходе, либо с помощью вентилятора. При прохождении воздуха внутри автомобиля его кинетическая энергия теряется вследствие сопротивления в радиаторе и во внутренних каналах. Первые из этих потерь неизбежны, поскольку они необходимы для осуществления теплообмена. Вторые же потери полностью паразитические, они являются следствием трения потока о стенки каналов, а также их изгибов и внезапных расширений сечения.


 

Испытания в аэродинамических трубах современных автомобилей подтвердили различие коэффициентов аэродинамического сопротивления в случаях, когда радиатор защищен экраном и когда он открыт для прохождения воздуха (при неработающем вентиляторе). При прохождении потока воздуха для охлаждения коэффициент аэродинамического сопротивления увеличивается, на величину от 0,01 до 0,06. Такой широкий диапазон является, по-видимому, следствием различия размеров двигателей (чем больше двигатель, тем больше воздуха требуется для его охлаждения), различия характеристик падения давления в разных конструкциях трубопроводов и различия величины локального давления на выходе. Для большинства испытанных автомобилей при прохождении воздуха через радиатор коэффициент аэродинамического сопротивления увеличивался примерно на 0,03, и, по мнению Гухо, величина увеличения, близкая к 0,01, является показателем хорошего качества конструкции.

При создании высококачественных конструкций следует уделять внимание трем основным моментам. Во-первых, это оптимальное проектирование высокоэффективных радиаторов с небольшим падением давления. Во-вторых, это проектирование трубопроводов для воздуха, не приводящих к увеличению аэродинамического сопротивления. И, наконец, это соответствующий подбор воздухозаборника и выходного канала, возможно, в сочетании с расположенными под кузовом экранами, которые создаю давление торможения перед ними и пониженное давление с ними.

Выступающие элементы. В каждом автомобиле имеется ряд выступающих элементов, таких как наружные зеркала, фары, радиоантенны, украшения капота, ручки дверей, стеклоочистители, решетчатые багажники, бамперы, ободки оконных стекол, водоотводящие желобки и ряд различных элементов под кузовом. Около каждого из этих элементов образуется локальный поток, который создает дополнительное аэродинамическое сопротивление. Это сопротивление часто называют паразитическим или интерференционным.

Происхождение последнего наименования связано с тем, что выступающие элементы часто располагаются в таких местах, где локальная скорость потока существенно превышает скорость набегающего потока, причем это превышение обусловлено влиянием кузова на характеристики потока. Сопротивление, создаваемое выступающими элементами, может увеличить величину коэффициента аэродинамического сопротивления примерно на 0,05 (при предположении, что площадь их лобовой поверхности составляет 5 % площади лобовой поверхности автомобиля и что коэффициент их аэродинамического сопротивления с учетом локального увеличения скорости близок к единице). Это составляет примерно 10 % сопротивления современных автомобилей и будет составлять еще более значительную часть у автомобилей малого аэродинамического сопротивления будущего, если только не будут предприняты специальные меры для уменьшения сопротивления выступающих элементов.


 

Вращающиеся колеса. По соображениям практического плана колеса автомобиля частично открыты. Их плохо обтекаемая форма вносит определенный вклад в полное аэродинамическое сопротивление, относительная величина этого вклада по мере совершенствования формы автомобиля увеличивается. Почти во всех испытаниях в аэродинамических трубах колеса автомобилей неподвижны. В реальной ситуации колеса вращаются в направлении, противоположном потоку воздуха, что создает дополнительный источник образования сопротивления, отсутствующий при испытаниях в аэродинамической трубе. В соответствии с данными, полученными на аэродинамической трубе «Пининфарина» в Италии, при испытаниях автомобилей с вращающимися и неподвижными колесами, эффект вращения колес легкового автомобиля состоит в небольшом увеличении коэффициента аэродинамического сопротивления на 0,05. Картина обтекания вращающегося колеса очень сложна. Описание потока около отдельно расположенного колеса можно найти в работе Факкрелла и Харви, а обтекание вращающегося колеса в проеме описано Скибор-Рыльским.

Кавитационное обтекание. Все сказанное ранее относилось к обтеканию закрытого кузова автомобиля. При открытых боковых окнах аэродинамическое сопротивление обычно увеличивается. Однако возможны и исключения, о чем свидетельствуют данные Кертца, который определил аэродинамическое сопротивление автомобилей с закрытыми и открытыми передними окнами. Хотя для большинства автомобилей при нулевом отклонении направления потока от направления движения коэффициент аэродинамического сопротивления увеличился при открытии окон для четырех он уменьшился (для одного из автомобилей на 4 %).

При некотором значении угла отклонения направления потока от направления движения открытие окон сказывается более неблагоприятно. Раскрытие крыши или откидывание верха у кузова с откидным верхом тоже приводит к значительному увеличению аэродинамического сопротивления, а полное удаление откидного верха приводит к очень большому увеличению сопротивления. Аналогичной этой является проблема аэродинамики пикапов с открытой полезной частью кузова. Этот вопрос исследовался Гетцом, который показал, что раскрытие полезной части кузова пикапа приводит к значительному увеличению аэродинамического сопротивления. Гетц исследовал возможность использования системы вертикально расположенных экранов для расщепления потока, набегающего на полезную часть кузова. Однако, хотя такие устройства действительно уменьшают аэродинамическое сопротивление, они не получили широкого распространения. Иногда высказываются суждения, что открытие задней двери пустого пикапа уменьшит его аэродинамическое сопротивление в результате взаимодействия вертикально расположенной двери с потоком, обтекающим кабину и набегающим на полезную часть кузова. Однако никаких данных, подтверждающих это вполне правдоподобное утверждение, в литературе нет.


 

 

АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА ФОРМЫ АВТОМОБИЛЯ

Процесс создания формы автомобиля обычно начинается в отделах стилизации формы, перед которыми ставится задача создания конструкции, отвечающей заданным требованиям. Задаваемые требования включают в себя такие параметры, как объем внутреннего салона (число пассажиров), масса, категория и назначение автомобиля (семейный, спортивный, специальный и т. п.).

Этот первый вариант испытывается затем в аэродинамической трубе. В процессе этих испытаний аэродинамики ищут пути уменьшения аэродинамического сопротивления, изменяя форму пластилиновых моделей автомобиля. При этом аэродинамики полагаются на собственный опыт, накопленный при создании других автомобилей, и основное внимание уделяют небольшим изменениям отдельных деталей модели. Очень малые изменения часто оказывают большое влияние на аэродинамическое сопротивление, и, изменяя большое количество деталей по результатам измерения сил, наблюдений за дымным следом, наклеенными кистями и нанесенными на поверхность маслом или чернилами, можно добиться довольно значительного уменьшения полного сопротивления. Такое применение аэродинамики при создании автомобиля часто называется аэродинамической настройкой или оптимизацией. Именно такой подход к аэродинамике автомобиля наиболее распространен в настоящее время. Основная его предпосылка заключается в том, что исходный стиль формы автомобиля должен быть сохранен в той степени, в какой это возможно, и снижение аэродинамического сопротивления достигается лишь за счет небольших изменений формы автомобиля, не меняющих его внешнего вида.

Особое внимание они уделяют скруглению углов и острых кромок для минимизации срывов потока в передней части автомобиля, уменьшению сопротивления нижней части кузова и формированию области отрыва потока в задней части. Один из типичных примеров, взятый из работы Гухо и др., относится к оптимизации формы в месте расположения фары. Этот пример показывает, что применение закрывающего детали фары обтекателя позволяет уменьшить коэффициент аэродинамического сопротивления на 0,05.

Поскольку одной из задач аэродинамической настройки является сохранение внешнего вида автомобиля, ясно, что она не может быть средством создания автомобиля с действительно малым аэродинамическим сопротивлением, и ее возможности в этом смысле ограничены. В этом слабость аэродинамической настройки, но следует иметь в виду, что она позволяет заметно уменьшить аэродинамическое сопротивление даже в тех случаях, когда предпочтение отдается внешнему виду автомобиля.


 

 

ЭМПИРИЧЕСКИЕ ПРАВИЛА СОЗДАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ МАЛОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Аэродинамическая настройка (оптимизация) — метод, по самой своей сути предназначенный для уменьшения аэродинамического сопротивления какого-либо конкретного автомобиля. Вследствие этого очертания отдельных деталей, оптимальные значения радиусов и углов для других автомобилей непосредственно применяться не могут. Тем не менее, в процессе создания большого количества автомобилей аэродинамики выработали набор правил, установленных по результатам анализа отличий автомобилей малого и большого аэродинамического сопротивления. Просматривая литературу, можно найти сведения о способах уменьшения аэродинамического сопротивления автомобилей, основанных на практическом опыте. Эмпирические правила, устанавливающие, какими должны быть основные части автомобиля, можно, по-видимому, сформулировать следующим образом.

 

НИЖНИЕ ПРЕДЕЛЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Интерес, проявляемый в настоящее время к аэродинамике автомобиля, не является временным, преходящим, явлением. Следует ожидать, что аэродинамика станет неотъемлемой частью процесса конструирования автомобиля, частью общих мер по повышению экономической эффективности транспорта. В будущем, когда распространение получат другие типы силовых установок, такие как работающие от аккумуляторов электродвигатели, аэродинамика будет играть свою роль в расширении диапазона их использования и увеличении скорости недостаточно мощных автомобилей (с малым отношением мощности к массе).


 

 

ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ДЛЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

Все или почти все осуществленные до настоящего времени прикладные и фундаментальные исследования аэродинамики автомобиля являются экспериментальными. Причина такого преобладания экспериментальных исследований кроется в сложности процесса обтекания автомобилей. Поля скоростей течений трехмерны со многими малыми, но существенными деталями, зонами отрыва и турбулентности, в значительной мере затрудняющими аналитические исследования и численные расчеты. Конечно, эти же самые моменты затрудняют и экспериментальные исследования. Основная проблема в ходе экспериментальных исследований не связана с осуществлением измерений, методика проведения которых достаточно проста. Основные трудности возникают при анализе результатов, когда оказывается необычайно трудным отделить эффекты, проявляющиеся на одной части поверхности тела, от эффектов, проявляющихся в каком-либо другом месте. Вследствие этого зачастую очень трудно по результатам испытаний какого-либо одного тела сделать выводы, справедливые и для других тел.

Существенный прогресс мог бы быть достигнут в том случае, если бы удалось численные результаты использовать для управления экспериментом. Характерные особенности числовых решений известны: они позволяют быстро проводить параметрические исследования, и получаемая с их помощью подробная информация позволяет исследовать причинно-следственные зависимости. Каковы с учетом указанных преимуществ перспективы использования численных методов в настоящее время и в будущем? Хорошую информацию о возможностях и трудностях числовых расчетов можно извлечь из работы Хирта и Рамшоу. Их статья представляет собой обзор результатов, полученных при попытке численного расчета трехмерного потока с помощью использования уравнений Навье-Стокса, в ней обсуждаются также вопросы удовлетворения граничных условий, учета формы тела, точности, устойчивости, разрешающей способности, затрат машинного времени и стоимости расчетов. В качестве иллюстрации возможностей они привели результаты расчета обтекания трехмерным потоком упрощенной модели грузовика с прицепом. Предполагалось, что поток ламинарный, а число Рейнольдса в соответствии с шириной прицепа считалось равным 140.

Эти особенности результатов числовых расчетов, конечно, делают их очень привлекательными. Однако для полноты картины следует рассмотреть и недостатки результатов числовых расчетов. Основная проблема связана с разрешающей способностью сетки. В только что упомянутом примере расчета обтекания грузовика с прицепом параметры потока определены в отдельных точках, полученных в результате разбиения исследуемой области в направлении потока на 38 частей, в вертикальном направлении на 30 и в горизонтальном направлении на 11 частей. Превышающее 12 000 число точек сетки достаточно велико даже для больших ЭВМ типа CDC 7600, в итоге время счета на машине CDC 7600 составило 90 мин. Однако даже и такого количества точек сетки недостаточно для полного описания потока. Внешний поток фактически был ограничен «каналом», размеры которого лишь в 3 раза превышает высоту прицепа и в 5 раз его ширину.


 

В то же время поток вблизи поверхности автомобиля и прицепа описан очень приблизительно, ближайшие точки сетки удалены от поверхности почти на 0,3 м, что гораздо больше толщины пограничного слоя и многих мелких деталей на поверхности тела. При такой разрешающей способности даже нечего думать о моделировании турбулентных потоков, существующих в непосредственной близости к поверхности тела.

Кроме того, ограничение потока «каналом» при этом будет неудовлетворительным и возникнут трудности с граничными условиями. Наконец, любая попытка одновременного определения характеристик внешнего потока и потока около поверхности тела (путем введения значительно отличающихся линейных размеров) потребовала бы по крайней мере на два порядка больше точек сетки, чем использовалось Хиртом и Рамшоу. Таким образом, для удовлетворительного описания обтекания реального автомобиля потребуется, по-видимому, сетка с миллионом узловых точек. Это выдвигает невыполнимые требования к вычислительным машинам: не только к размерам памяти, но и к их быстродействию, поскольку время счета при увеличении числа узловых точек растет быстрее, чем по линейному закону. Прогнозируя будущие темпы развития больших ЭВМ, можно утверждать, что необходимые для проведения подобных расчетов машины, которые были бы на три порядка мощнее современных ЭВМ, в обозримом будущем вряд ли появятся. В заключение отметим, что перспективы численного расчета обтекания автомобилей с помощью решения уравнений Навье-Стокса не очень обнадеживающие.

Вероятнее всего, что расчеты будут проводиться по упрощенным моделям, с помощью использования решений для невязкого обтекания при распределении по поверхности тела особых точек, т. е. будут применяться так называемые панельные методы, подобно тому как это делается в авиапромышленности.

Ландал рассмотрел также и некоторые модели, основанные на применении вихревых элементов. Эти модели используются для описания сорванных потоков с помощью расположения в точках отрыва потока дискретных вихрей, характеризующих завихренность потока в пограничном слое. Этот метод по своей природе учитывает изменение характеристик потока во времени и поэтому он позволяет учесть неустановившийся характер сорванных потоков. Первоначально разработанный для расчета двумерных потоков этот метод был впоследствии обобщен на случаи исследования осесимметричных и трехмерных потоков. Однако он имеет один существенный недостаток, заключающийся в том, что заранее надо знать места отрыва потока.

Методы обоих указанных типов весьма привлекательны, и можно надеяться, что они, будучи объединенными вместе, образуют мощный метод расчета внешних потоков. Для увязки этих методов необходимо найти распределение давления панельными методами, решить уравнения пограничного слоя и определить места отрыва потока, которые надо знать для дальнейшего применения вихревых методов. Поскольку характеристики потока определяются только в его завихренной части, нет необходимости исследовать поток вдали от тела, при этом предполагается, что он простирается бесконечно.

Точно также нет никаких серьезных проблем проведения расчетов в случаях набегания потока под углом к направлению движения. Недостатком такого комбинированного подхода является необходимость применения очень большой ЭВМ для описания обтекания типичного автомобиля. Число отдельных панелей и вихрей, которые потребуются для проведения расчетов, будет очень большим. С другой стороны, этот подход может дать вполне приемлемые результаты даже в случае применения современных ЭВМ при исследовании простейших форм. Однако следует подчеркнуть, что сказанное выше пока является всего лишь предположением, эффективность такого комбинированного подхода (паяльный метод — уравнения пограничного слоя — метод дискретных вихрей), предстоит еще проверить на практике.


 

 

СТРАТЕГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДОСТИЖЕНИЯ НИЖНИХ ПРЕДЕЛОВ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Следующим этапом должно быть познание основных законов аэродинамики автомобиля. Как представляется, исследования должны проводиться параллельно последующим трем направлениям.

1. Использование накопленных эмпирически знаний о принципах создания конструкций малого аэродинамического сопротивления и о влиянии изменения формы малых элементов.

2. Использование современных представлений о механизмах возникновения сопротивления. Многочисленные белые пятна в этой области необходимо ликвидировать с помощью тщательно поставленных экспериментов и параметрических исследований - желательно шире использовать упрощенные модели, применение которых облегчит понимание основных закономерностей и механизмов.

3. Интенсивное и более широкое применение численного моделирования. Полное моделирование обтекания автомобиля вряд ли будет достигнуто в ближайшие годы, однако результаты упрощенного моделирования могут очень хорошо дополнить экспериментальные результаты по выяснению механизмов образования сопротивления, обосновать и уточнить постановку эксперимента.


 

 

ПОБОЧНЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

Основной темой настоящего обзора был анализ влияния аэродинамики на силу аэродинамического сопротивления и, следовательно, на топливную экономичность автомобиля. Однако сила сопротивления — не единственный аэродинамический фактор, влияющий на конструкцию автомобиля. Среди других аэродинамических сил и моментов значительный интерес представляет подъемная сила. Значения коэффициента подъемной силы современных автомобилей находятся в диапазоне от 0,0 до 0,7 и даже выше (в зависимости от площади лобовой поверхности). Если принять CL — 0,7 при площади лобовой поверхности 2 м2, то подъемная сила при скорости 100 км/ч составит 600 Н, т. е. почти 5 % веса малогабаритного автомобиля. Это означает, что при высоких скоростях наличие подъемной силы может быть причиной значительного уменьшения силы тяги. Существует еще одна причина, побуждающая принимать меры к уменьшению подъемной силы. Она состоит в том, что при обтекании с большей подъемной силой, как правило, больше и сила сопротивления.

Боковая сила и поворачивающий момент представляют интерес с точки зрения оценки устойчивости автомобиля при ветре. Взаимное расположение центра давления и центра тяжести влияет на поведение автомобиля при постоянном и порывистом ветрах, а также при прохождении рядом крупных автомобилей, при проезде под эстакадами и в туннелях.

К другим важным аэродинамическим эффектам относятся возникновение шума около ветрового стекла и боковых окон, нарушающего комфорт, и запыление боковых и задних окон у грузопассажирских автомобилей-фургонов, а также автомобилей с задней дверью. В перечень представляющих интерес аэродинамических эффектов следует включить охлаждение двигателя встречным воздухом, проходящим через радиатор, а также охлаждение других важных элементов, таких как тормоза, поддон двигателя, трансмиссия и система выпуска отработавших газов. Оптимизация формы кузова в этих местах является одной из задач испытаний в аэродинамической трубе. Совершенно ясно, что эти факторы имеют большое значение для повышения надежности автомобилей и удовлетворения потребностей владельцев автомобилей.

 

 


 

Несмотря на более чем 80-летнюю историю развития аэродинамики автомобиля, многие важные вопросы пока остаются без ответа, а сама аэродинамика автомобиля все еще в большей степени остается искусством, а не наукой. Одной из причин этого является сложность картины обтекания автомобилей и трудности ее исследования. Не все еще закономерности хорошо изучены, и инженеры-практики еще сталкиваются с неожиданными явлениями.

Аэродинамическое сопротивление современных автомобилей достаточно велико, среднее значение коэффициента аэродинамического сопротивления близко к 0,45. В соответствии с современными представлениями о принципах создания конструкций малого аэродинамического сопротивления можно считать, что минимально достижимый коэффициент аэродинамического сопротивления автомобилей общего пользования близок к 0,25. Таким образом, налицо существенное различие между тем, что достигнуто сейчас, и тем, что может быть достигнуто. Сама величина 0,25 значительно выше минимума для колесных транспортных средств хорошо обтекаемой формы, который, как было показано, близок к 0,15. Такое различие обусловлено необходимостью выполнения ряда практических требований, обусловленных размерами салона для пассажиров, обеспечением безопасности, охлаждением двигателя, простотой технического обслуживания, массовостью производства и т. п.

Что касается влияния аэродинамического сопротивления на топливную экономичность, аэродинамическое сопротивление при скоростях, больших 50 км/ч (30 миля/ч), всегда превышает сопротивление качению, а при наличии ветра и турбулентности набегающего потока это характерное значение скорости еще меньше. Частично это объясняется тем, что ветер и турбулентность набегающего потока увеличивают эффективную скорость воздуха. Кроме того, поскольку при движении под углом к набегающему потоку аэродинамическое сопротивление автомобиля, как правило, увеличивается, а ветер вводит эффективный угол набегающего потока, на самом деле аэродинамическое сопротивление еще больше. Для типичной скорости ветра 16 км/ч (10 миля/ч) суммарный эффект состоит в увеличении аэродинамического сопротивления (по сравнению с сопротивлением без ветра) на 17 % для городского цикла ЕРА и на 8 % для ездового цикла по автомагистрали. Снижение аэродинамического сопротивления малогабаритного (площадь лобовой поверхности 2 м2, масса 1200 кг) автомобиля от CD = 0,45 до CD = 0,30 (реально достижимая величина) означает повышение топливной экономичности при комбинированном (городском и магистральном) ездовом цикле ЕРА на 11 %, а при движении по автомагистралям с обычными скоростями повышение топливной экономичности будет значительно больше. Такое значительное повышение топливной экономичности может быть достигнуто относительно небольшой ценой, что делает этот путь особенно привлекательным.

Самым распространенным методом использования аэродинамики в автомобилестроении в настоящее время является аэродинамическая «настройка» формы, созданной стилистами. В случае объединения усилий стилистов и аэродинамиков полезная информация аэродинамиков полнее будет использоваться при проектировании автомобилей, аэродинамические требования будут учитываться с самого начала. Это потребует лучшего понимания механизма образования силы сопротивления, которое может быть достигнуто путем более тщательной постановки экспериментов на моделях упрощенной формы и особенно с помощью математического моделирования.

Одно из изменений, которое уже сейчас следует внести в методику эксперимента, состоит во включении в любую более или менее обширную экспериментальную программу испытаний с турбулентностью набегающего потока. Это связано с тем, что турбулентность набегающего потока может, как известно, иногда довольно значительно изменять сопротивление плохо обтекаемых тел. Указанное изменение невозможно предсказать, оно может играть как положительную, так и отрицательную роль. Вследствие этого испытания автомобилей в условиях, моделирующих турбулентность набегающего потока, весьма желательны.


 

 

МЕТОДЫ ПОДБОРА СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ

Уровень топливной экономичности, установленный для какого-либо уже существующего или создаваемого автомобиля, должен определяться строго при заданном ездовом цикле и вполне определенным методом. Введение законодательства, устанавливающего средний показатель топливной экономичности (CAFE — the corporate average fuel economy), обязательный для производителей автомобилей, может быть причиной запрета продажи некоторых моделей автомобилей в течение данного года. Устанавливаемый законодательством средний показатель год от года может меняться, но стремление к повышению показателей топливной экономичности, устанавливаемых федеральным законом, можно считать постоянным. Проектирование и создание линий по выпуску автомобилей начинаются за несколько лет до начала их производства, что придает особое значение прогнозированию топливной экономичности и экспериментальным методам выявления способов ее повышения.

Разнообразные факторы, влияющие на топливную экономичность, можно объединить в следующие категории.

1. Общие требования, предъявляемые к автомобилю, и его показатели.

2. Требования, устанавливаемые законодательством.

3. Технические требования, предъявляемые при выпуске.

4. Задачи повышения конкурентоспособности.

5. Показатели эффективности элементов силовой передачи.

6. Рабочий объем двигателя.

7. Передаточные числа коробки передачи и главной передачи.

Подбор силовой передачи представляет собой способ оптимизации топливной экономичности автомобиля путем определения наилучшей совокупности параметров силовой передачи, удовлетворяющих всем заданным требованиям. Сложное взаимное влияние различных параметров проще всего проанализировать с помощью достаточно полной программы расчета на ЭВМ. Однако прогнозирование топливной экономичности по результатам расчетов на ЭВМ чаще всего осуществляется для оценки эффектов изменения значений тех или иных параметров. Вследствие возможных погрешностей расчетов абсолютные значения показателей топливной экономичности обычно определяются путем корректировки известных результатов базовых экспериментов.

В этой главе анализируется роль основных параметров силовой передачи и автомобиля, среди которых:

1) расход топлива двигателем в диапазоне рабочих скоростей и нагрузок;

2) рабочий объем двигателя;

3) ездовые циклы;

4) приемистость, способность преодолевать подъемы и максимальная скорость автомобиля;

5) показатели эффективности трансмиссии и коробки передач;

6) передаточные числа и режимы переключения передач. Роль этих параметров будет исследована подробно. Способы уменьшения расхода топлива двигателем, снижения токсичности отработавших газов и уменьшения сопротивления качению рассмотрены в других главах.


 

 

РАБОЧИЙ ОБЪЕМ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

Во времена распространенности крупногабаритных автомобилей и доступности дешевого топлива в США и многих других странах для выбора предлагались различные двигатели: от больших V-образных восьмицилиндровых до меньших по размеру шестицилиндровых двигателей, величина отношения рабочего объема двигателя к массе автомобиля при этом принимала значения от 180 дюйм3/т (2,95 л/т) до 160 дюйм3/т (2,62 л/т). В тех случаях, когда топливная экономичность для покупателей была важнее мощности, выбирались меньшие по размеру двигатели. С уменьшением габаритов автомобилей, последовавшим за начавшимся в 1970-х годах нефтяным кризисом, когда особое значение стало придаваться высокой топливной экономичности, и средняя масса автомобиля и значение отношения рабочего объема двигателя к массе значительно уменьшились.

Отношения рабочего объема двигателя к массе автомобиля для двигателей без наддува были доведены до уровня, близкого 100дюйм3/т (1,64 л/т), т. е. до предела, после которого дальней шее понижение уже не повышает топливную экономичность, а лиш приводит к ухудшению показателей двигателя и уменьшена его мощности.

Для минимизации потерь в двигателе, включая потери теплоты в цикле, потери при впуске, насосные потери и потери на механическое трение, предпочтительнее более высокие значения среднего эффективного давления и меньшая частота вращения коленчатого вала. При этом не только повышается термодинамический КПД двигателя, но и значительно уменьшаются насосные потери при дросселировании. При меньшей частоте вращения коленчатого вала минимизируются потери в двигателе на трение в подшипниках, трение поршней в цилиндрах, в клапанном механизме и в масляном насосе. Потери на работу вентилятора охлаждения, генератора и других вспомогательных механизмов и систем также уменьшаются. В реальных двигателях, однако, при полностью или почти полностью открытой дроссельной заслонке осуществляется обогащение топливовоздушной смеси, с тем чтобы двигатель мог развить максимальную мощность и для повышения чувствительности двигателя к положению дроссельной заслонки. В карбюраторных двигателях обогащение смеси регулируется степенью разрежения во впускном трубопроводе и ускорительным насосом, управляемым педалью газа.

Для достижения наилучшей топливной экономичности объем двигателя должен быть подобран таким, чтобы на заданном ездовом цикле можно было избежать или минимизировать увеличение мощности за счет обогащения топливной смеси. В этих условиях особенно важна роль трансмиссии для обеспечения оптимальных передаточных чисел и возможности такого переключения передач которое дает наилучшее с точки зрения удельного расхода топлива сочетание частоты вращения коленчатого вала двигателя и величины крутящего момента.


 

 

КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ

Коробки передач с ручным переключением. Для малолитражных автомобилей повсеместное распространение получила схема трансмиссии с передними ведущими колесами и четырехступенчатой коробкой передач с ручным управлением, расположенной непосредственно у ведущего моста. Это недорогая трансмиссия, в которой коробка передач позволяет эффективно изменять передаточные числа, и функции коробки передач и главной передачи объединены. Передаточные числа для такой системы лучше выражать в виде отношения частот вращения коленчатого вала двигателя и ведущих колес, поскольку отдельно частоты вращения ведомого вала коробки передач и передаточные числа ведущего моста, когда функции их объединены, особого интереса не представляют. В обычных переднеприводных автомобилях среди передаточных чисел есть число, равное единице, т. е. имеется прямая передача. Полные передаточные числа представляют собой произведения передаточных чисел коробки передач на передаточное число ведущего моста.

Поскольку значительную часть ездового цикла ЕРА составляет движение при малом крутящем моменте, при оценках топливной экономичности следует пользоваться диаграммой КПД, а не одним каким-либо числом. Значения КПД главной передачи будут рассмотрены в этой главе ниже.

Однако коробка передач с ручным переключением не может быть идеальной, поскольку возможно использование лишь ограниченного количества передаточных чисел. Эти передаточные числа и интервалы между ними, а также передаточное число главной передачи подбираются из условия обеспечения наилучших показателей топливной экономичности, производительности, максимальной скорости и способности к движению. При слишком большом количестве передаточных чисел или при малом отличии их друг от друга может потребоваться слишком частое переключение передач. Разрывы силового потока при переключениях сказываются на производительности, а частое включение ускорительного насоса отрицательно влияет на экономичность. Добавление пятой передачи к четырехступенчатой передаче может привести к улучшению осредненного показателя топливной экономичности примерно на 3,5%. Дополнительная шестая передача позволила бы добиться еще меньшего эффекта, так что ее введение для легковых автомобилей нецелесообразно из-за усложнения конструкции и увеличения трудоемкости управления.


 

Необходимо рассмотреть два режима переключения передач: один — обеспечивающий максимальную производительность при полностью открытой дроссельной заслонке, а другой — соответствующий установленным режимам при государственных испытаниях по определению показателя топливной экономичности ЕРА. Для продаваемых в США автомобилей ЕРА установлен режим переключения передач при применении четырехступенчатой коробки передач 15—25—40 миля/ч (24—40—64 км/ч), при котором показатель топливной экономичности ЕРА меньше оптимального.

Коробки передач с автоматическим управлением. Наибольшее применение в автомобилях в период 1950—1980 гг. нашли трехступенчатые коробки передач с автоматическим управлением и с гидротрансформатором открытого типа. Гидродинамический трансформатор, состоящий из насосного колеса, турбинного колеса И реактора, обладает идеальными качествами, среди которых плавность работы, удобство эксплуатации водителем, обусловленное увеличением крутящего момента, и высокий КПД на большинстве режимов работы. Однако в дорожных условиях становятся заметными потери на проскальзывание. К другим потерям в трансмиссии относятся потери на работу масляного насоса, вентиляционное сопротивление и вязкое сопротивление фрикционного сцепления или фрикционных лент. Все эти потери приводят к ухудшению среднего показателя топливной экономичности ЕРА на 12— 15 % по сравнению с трансмиссией с ручным переключением передач. В следующем поколении коробок передач с автоматическим управлением применение блокировки гидротрансформатора или обходных путей передачи крутящего момента и расширение диапазона передаточных чисел трехступенчатых или четырехступенчатых передач приведет к работе двигателя с большим коэффициентом нагрузки, следствием чего явится улучшение топливной экономичности. Ухудшение показателя топливной экономичности по сравнению с коробкой передач с ручным переключением снижается почти наполовину. Переход к поперечному расположению двигателей в переднеприводных автомобилях также способствует повышению КПД главной передачи.

Применение более производительных гидротрансформаторов позволяет улучшить топливную экономичность ценой снижения КПД, а размеры и особенности системы лопаток гидротрансформатора играют важную роль при подборе гидротрансформатора для системы автомобиль — двигатель. При применении системы блокировки сцепления пробуксовывания в гидротрансформаторе можно избежать, за исключением начального этапа движения на низшей передаче. Влияние размеров гидротрансформатора, таким образом, в современных трансмиссиях на топливную экономичность становится менее ощутимым.


 

Потери в трансмиссии представляют собой потери в масляном насосе и в коробке передач. Обычно применяются насосы постоянной производительности с шестернями внутреннего и наружного зацепления, приводимые в движение двигателем, которые обеспечивают необходимое гидравлическое давление перемещения сцепления или фрикционных лент, загрузки гидротрансформатора, смазки и охлаждения. Производительность за оборот подбирается главным образом из условия ограничения утечки из систем управления и смазки при холостых оборотах и составляет примерно 2 галлон/мин (7,6 л/мин). При более высоких частотах вращения расход увеличивается. Для снижения потерь такого рода в последнее время наметилась тенденция применения крыльчатых насосов с переменной производительностью.

Поскольку с увеличением крутящего момента на входе давление увеличивается, при разгоне его величина может превосходить величину давления при нагрузках, соответствующих дорожным условиям. При оценках топливной экономичности, таким образом, следует учитывать данные о затратах мощности на работу масляного насоса во всем диапазоне частот вращения вала двигателя для заданного ездового цикла.

Коробка передач. При подборе передаточных чисел планетарных шестеренчатых передач, используемых в трансмиссиях с автоматическим управлением, следует учитывать как соотношение передаточных чисел переднего и заднего хода, так и степень сложности передаточного механизма.

В более эффективных с точки зрения топливной экономичности трехступенчатых коробках передач с автоматическим управлением, таких как коробка передач переднеприводной трансмиссии «Форд АТХ», диапазон изменения передаточных чисел переднего хода увеличен, так что передаточное число ведущего моста может быть уменьшено без снижения КПД. В этой трансмиссии применяется обходной путь передачи крутящего момента механическим путем.

В системах с разделением путей передачи мощности гидротрансформатор обычно функционирует вместе с шестеренчатыми передачами, в этих случаях для оценки топливной экономичности представляет интерес определение части потерь на проскальзывание в гидротрансформаторе. Важно учесть, что положительный эффект уменьшения потерь на проскальзывание в системах с разделением путей передачи мощности усиливается, и суммарные потери на проскальзывание в трансмиссии меньше, чем потери в гидротрансформаторе.


 

Бесступенчатые коробки передач. Работа в соответствии с кривой наилучшей топливной экономичности может быть обеспечена лишь с помощью коробки передач с бесконечным числом передаточных чисел. Система управления при применении такой бесступенчатой коробки передач должна подобрать во всем диапазоне нагрузок частоту вращения вала двигателя и величину эффективного среднего давления, которые соответствуют наименьшей величине удельного расхода топлива. При этом постоянно будут регулироваться передаточное число бесступенчатой коробки передач и положение дроссельной заслонки двигателя или давление во впускном трубопроводе. Такая система управления практически позволит оптимизировать топливную экономичность на любом ездовом цикле. При использовании бесступенчатой коробки передач требуется специальное устройство типа сцепления, гидромуфты или гидротрансформатора, поскольку бесступенчатые передачи клиноременного или фрикционного типа не обладают способностью обеспечить трогание с места и, кроме того, диапазон доступных передаточных чисел ограничен. Для применения в автомобилях рассматривались также гидростатические и гидромеханические системы, однако их разработка сдерживалась из-за ряда проблем, в частности из-за шума.

Перспективными системами бесступенчатых передач являются резиновые и цепные ременные передачи со шкивами, обеспечивающими изменение передаточных чисел. Такие механизмы могут использоваться в различных сочетаниях с устройствами для обеспечения трогания с места и приводными механизмами, что позволяет получить трансмиссию с требуемыми характеристиками.

Повышение КПД часто является следствием сужения диапазона передаточных чисел, и достижение наилучшей топливной экономичности часто требует компромиссного решения. Для расширения диапазона передаточных чисел без ущерба для КПД могут также применяться схемы, позволяющие одновременно осуществлять работу на нескольких режимах.

По многим соображениям практического характера часто приходится работать на режимах, не соответствующих наилучшей топливной экономичности. В основном это связано с увеличением шума, вибраций и возможным повышением токсичности отработавших газов при работе двигателя в условиях больших нагрузок. При применении бесступенчатой коробки передач может потребоваться дополнительная регулировка двигателя для выполнения установленных требований по токсичности отработавших газов на ездовом цикле.


 

Характеристики эффективности работы и диапазон передаточных чисел бесступенчатой передачи с трудом позволяют добиться улучшения топливной экономичности по сравнению с обычными коробками передач с автоматическим управлением, такими как «Форд АТХ» и «Форд AOD». Поскольку бесступенчатая передача функционирует постоянно и с меньшими значениями КПД, чем зубчатые передачи или прямая передача, КПД такой передачи меньше. Однако повышение КПД двигателя при применении бесступенчатой передачи может с избытком возместить уменьшение КПД трансмиссии. Для сравнения показателей передач этих двух типов, определяемых с помощью ЭВМ по совершенно различным программам, и принятия окончательного решения требуется учет результатов испытаний трансмиссий на автомобилях.

Диаграмму изменения КПД трансмиссии с бесступенчатой передачей лучше всего строить по результатам индивидуальных испытаний каждой из подсистем трансмиссии. К ним относятся механизм бесступенчатой передачи, масляный насос, пусковое устройство, приводной механизм и главная передача.

 

ПОТЕРИ В КАРДАННОЙ ПЕРЕДАЧЕ

При передаче мощности от трансмиссии к ведущим колеса происходят некоторые потери в элементах карданной передачи. Эти элементы различны при установке двигателя в автомобиля 456 по различным схемам. В настоящее время выпускаются автомобили с продольным и поперечным расположением двигателя как впереди, гак и сзади. В США наиболее распространена схема, в соответствии с которой двигатели заднеприводных автомобилей располагаются впереди в продольном направлении. Однако в связи с тенденцией уменьшения размеров двигателей и автомобилей для улучшения топливной экономичности в будущем, по-видимому, большее распространение получат переднеприводные автомобили с поперечным расположением двигателя в передней части.

В переднеприводных автомобилях имеется четыре шарнира равных угловых скоростей для передачи мощности и облегчения управления. При расположении двигателя заднеприводных автомобилей в передней части изменение углов наклона карданного вала при движении автомобиля осуществляется двумя карданными шарнирами. Поскольку КПД шарниров равных угловых скоростей и карданных шарниров при малых изменениях углов близок к 98—99 %, потери в них при любых схемах карданных передач примерно одинаковы. Практически различия в КПД карданных передач определяются различием числа и типа соединений в передаче (в главной передаче и в ведущем мосте).


 

 

ПОТЕРИ НА РАБОТУ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В соответствии с методикой испытаний на стенде по ездовому - циклу ЕРА автомобили должны быть оснащены работающими генератором переменного тока и вентилятором охлаждения.

Другие вспомогательные устройства устанавливаются в том случае, если количество автомобилей данной модели, в которых они используются, достигает одной трети. При наличии системы кондиционирования воздуха она во время испытаний на стенде не включается, но нагрузка увеличивается на 10 %.

При оценках эффективности автомобиля и топливной экономичности с целью подбора силовой передачи потери мощности на работу вспомогательных устройств, определенные при испытаниях по ездовому циклу ЕРА, добавляются к требуемой мощности на валу. В тех случаях, когда это возможно, затраты мощности на работу вспомогательных устройств определяются по результатам автономных испытаний отдельных элементов. Затраты на генератор переменного тока часто предполагаются постоянными, соответствующими среднему значению силы тока на ездовом цикле ЕРА. Затраты мощности на рулевое управление определяются из условия легкости управления.

Суммарные затраты мощности на генератор, системы управления и кондиционирования воздуха мало зависят от размеров автомобиля. Затраты на работу вентилятора зависят от размеров автомобиля, в малолитражных автомобилях обычно устанавливаются электрические вентиляторы.


 

 

ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЯ НА ТОПЛИВНУЮ ЭКОНОМИЧНОСТЬ

Топливная экономичность автомобиля существенно зависит от его предполагаемых характеристик и от ездового цикла, на котором она оценивается. Оптимизация силовой передачи для достижения наилучшей топливной экономичности, осуществленная без учета характеристик автомобиля и особенностей ездовых циклов, соответствующих условиям движения в городе и по шоссе, может привести к ухудшению эксплуатационных качеств автомобиля. В связи с этим необходимо выявить зависимости между топливной экономичностью, характеристиками автомобиля и характеристиками ездовых циклов. Характеристики автомобиля используются для количественной оценки таких его качеств, как:

1) время разгона;

2) способность преодоления подъема;

3) максимальная скорость;

4) комфортность движения.

Время разгона легковых автомобилей массового производства сильно изменилось после введения в 1974 г. ограничений на поставку нефти. Общепринятой мерой времени разгона является время возрастания скорости с 0 до 60 миля/ч (96 км/ч). За период 1974—1980 гг. время разгона до скорости 60 миля/ч (96 км/ч) увеличилось с 10 до 15 с. Это изменение, как показывают результаты испытаний по циклу, имитирующему движение в городских условиях, произошло вследствие осуществления мер по повышению топливной экономичности.

Способность к преодолению подъемов влияет на топливную экономичность, поскольку она определяет диапазон изменения передаточных чисел. Способность к преодолению подъема измеряется минимальной величиной угла подъема, преодолеваемого автомобилем с ускорением с места на передней и задней передачах. Для легковых автомобилей эта величина обычно составляет 30 %. При определении требуемого рабочего объема двигателя, передаточных чисел низшей передачи и передачи заднего хода, передаточного числа главной передачи и гидротрансформатора следует учитывать требования к способности к преодолению подъемов. Другим показателем способности к преодолению подъемов является способность преодоления подъема величиной 3 % на высшей передаче при скорости 55 и 60 миль/ч (88,5 и 96 км/ч).

Максимальная скорость движения автомобиля влияет на топливную экономичность в той мере, в какой она определяет мощность двигателя и передаточное число главной передачи.

Ездовые качества автомобиля обычно оцениваются субъективно, к ним относятся управляемость, шум и вибрация. На ездовые качества влияют такие параметры силовой передачи, как рабочий объем двигателя, количество цилиндров, величина отношения N/V (частота вращения вала двигателя, мин-1, к скорости движения автомобиля, миля/ч) и жесткость трансмиссии (для переднеприводных и заднеприводных автомобилей она различна). Чем больше рабочий объем двигателя и чем больше цилиндров, тем больше развиваемый им крутящий момент и тем быстрее и плавнее можно регулировать его величину. У переднеприводных автомобилей трансмиссия жестче, поскольку у нее отсутствует карданный вал и на ее жесткости не сказывается влияние кузова и колес. При такой трансмиссии также облегчается управление автомобилем. Величина отношения N/V существенно влияет на шум и вибрацию автомобиля. При слишком малых значениях этого отношения ухудшаются условия разгона, возникают шум и вибрации в местах крепления двигателя. При слишком большой величине отношения ухудшается топливная экономичность и возникает высокочастотный шум двигателя.


 

 

РАСЧЕТЫ НА ЭВМ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ И ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЯ

Для правильного подбора силовой передачи необходимо проанализировать результаты расчетов на ЭВМ топливной экономичности и характеристик автомобиля по сложным программам с учетом практических ограничений, накладываемых на величину отношения N/V.

Крутящий момент на ведущем колесе подсчитывается по каким-либо из следующих исходных данных.

1. Результаты эталонных трековых испытаний, определяющие взаимозависимость скорости автомобиля, частоты вращения ведущего вала и крутящего момента на ведущем валу.

2. Результаты расчетов, проведенных с учетом аэродинамического сопротивления и сопротивления качению шин.

3. Результаты расчетов дорожных нагрузок в том случае, когда автомобиль испытывался на динамометрическом стенде.

После расчета крутящего момента на ведущих колесах и частоты вращения ведущих колес по известному передаточному числу и КПД ведущего моста определяются крутящий момент на ведущем валу и частота вращения вала.

Подводимый к трансмиссии со стороны двигатели крутящий момент и частота вращения подводящего вала рассчитываются по значениям крутящего момента на ведущем валу и частоты вращения ведущего вала, основными параметрами при, этом являются передаточные числа и КПД трансмиссии. При первом расчете по программе предполагается, что установлена первая передача. Знание значения крутящего момента на входе трансмиссии и частоты вращения подводящего вала (которые равны крутящему моменту и частоте вращения вала на выходе гидротрансформатора или сцепления) позволяет рассчитать крутящий момент на входе гидротрансформатора (или сцепления) и частоту вращения подводящего вала.

Основными исходными данными при проведении этих расчетов для трансмиссий с автоматическим управлением являются данные о КПД гидротрансформатора. С помощью изображенных на этом рисунке кривых и определяются крутящий момент на входе гидротрансформатора и частота вращения подводящего вала.


 

В случае трансмиссии с ручным переключением передач предполагается, что сцепление может осуществлять передачу крутящего момента без потерь, т. е. без проскальзывания. Проскальзывание сцепления допускается лишь тогда, когда скорость движения становится меньше некоторой критической величины, близкой обычно к 15 миль/ч (24 км/ч), или когда требуемая в соответствии с условиями ездового цикла частота вращения вала, подводящего момент к сцеплению, меньше частоты вращения на режиме холостого хода. Наконец, после добавления к крутящему моменту на входе гидротрансформатора затрат на работу вспомогательного оборудования определяется требуемая величина крутящего момента на выходе двигателя.

Зная значения создаваемого двигателем и требуемого крутящих моментов, можно подсчитать разрежение в двигателе с помощью соотношения (определяемого экспериментально) между крутящим моментом и разрежением. При известных величине разрежения в двигателе и режиме изменения передаточных чисел трансмиссии с автоматическим управлением (зависимости передаточного числа от разрежения и от частоты вращения ведущего вала) можно выяснить, находится ли автоматическая передача в нужном положении. Если нет, то передаточное число трансмиссии изменяется на требуемое, и крутящий момент двигателя, а также частота вращения вала двигателя подсчитываются заново при этом передаточном числе.

В случае трансмиссии с ручным переключением передач соответствующая передача подбирается по результатам сопоставления скорости автомобиля со значениями скоростей, при которых должно производиться переключение передач. При установленных соответствующих друг другу передаточном числе, крутящем моменте двигателя и частоте вращения вала двигателя по соотношению, характеризующему зависимость расхода топлива от крутящего момента двигателя (которое определяется экспериментально или расчетным путем), вычисляется ожидаемый расход топлива на этом режиме работы двигателя.

Все описанные выше расчеты повторяются для каждой секунды движения автомобиля по заданному ездовому циклу (исходными данными служат значения скорости в отдельные моменты времени) и результаты суммируются для определения полного расхода топлива за все время движения. На печать могут выводиться как все результаты расчетов для каждого момента времени, так и лишь итоговые результаты.


 

Этот расчет начинается о двигателя. Составляется таблица значений крутящего момента, который может подводиться к сцеплению или гидротрансформатору, для различных значений частоты вращения вала двигателя с интервалом 50 мин-1 (начиная с частоты вращения на режиме холостого хода). Сначала вычисляются значения крутящего момента на выходе гидротрансформатора (со стороны трансмиссии) и частоты вращения ведомого вала с помощью кривых, характеризующих КПД гидротрансформатора. (В случае трансмиссии с ручным переключением передач предполагается, что сцепление может передавать весь крутящий момент двигателя без проскальзывания). Далее по кривым, характеризующим КПД трансмиссии, и значениям передаточных чисел вычисляются крутящие моменты на ведущем валу и частоты вращения ведущего вала для различных значений крутящего момента на выходе гидротрансформатора (или сцепления) и частоты вращения ведомого вала. Используя передаточное число ведущего моста, кривые, характеризующие КПД ведущего моста, и величину радиуса колеса (рассчитанную по числу оборотов колеса за милю), можно вычислить значения подводимой к колесу силы при различных скоростях движения автомобиля (соответствующих значениям частоты вращения ведущего вала, а значит и частоты вращения вала двигателя, которые использовались при расчете в качестве исходных данных крутящего момента на входе гидротрансформатора или сцепления) по известным значениям крутящего момента на ведущем валу и частоты вращения ведущего вала.

После расчета значения подводимой к колесам автомобиля силы при различных скоростях в соответствии с программой рассчитывается сила, которую требуется подвести к ведущим колесам для движения автомобиля с различными постоянными скоростями. При проведении этих вычислений задаются различные значения скорости движения автомобиля и определяются соответствующие им значения крутящего момента на ведущем валу и частоты вращения ведущего вала. Эти значения момента и частоты вращения определяются по результатам испытаний (представленных в виде графиков, описывающих зависимость крутящего момента на ведущем валу от скорости движения автомобиля) или по результатам расчетов, выполненных с учетом аэродинамического сопротивления и сопротивления качению.

Зная зависимость силы, подводимой к ведущим колесам, от скорости движения автомобиля и зависимость силы, которую требуется подвести к ведущим колесам для того, чтобы автомобиль двигался с некоторой постоянной скоростью, от величины этой скорости, очень просто определить силу, которую можно использовать для ускорения автомобиля. По значениям этой силы и массы автомобиля можно установить зависимость ускорения от скорости.


 

 

ОГРАНИЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ

Минимальная частота вращения вала двигателя после переключения на ускоряющую передачу. Принимается равной 1500 мин-1 для обеспечения плавности хода, особенно при трехцилиндровом Двигателе.

Способность преодоления подъема 30 % на первой передаче. Общепринятое требование для автомобилей массового производства.

Способность преодоления подъема 3 % на высший передаче. Проверяется способность преодоления подъема 3 % при двух значениях скорости: 55 и 6.0 миль/ч (88 и 96 км/ч). Это требование вводится с целью минимизации переключений передач при Движении по автострадам.

Диаграмма пригодности силовой передачи. Эта Диаграмма определяет минимально допустимое значение передаточного отношения N/V в зависимости от отношения рабочего объема двигателя к массе автомобиля. Диаграмма построена по Результатам анализа характеристик импортированных и произведенных в США автомобилей 1979 г. Все автомобили, показатели которых соответствуют точкам, расположенным выше правой Кривой, считаются допустимыми, а те, чьи показатели соответствуют точкам ниже левой кривой, — недопустимыми.

При анализе учитываются разница передаточных чисел и режим переключения передач. Как следует из полученных результатов, увеличение числа передач приобретает большое значение для сохранения ездовых качеств автомобиля при уменьшении рабочего объема двигателя, особенно трехцилиндрового. Поэтому в качестве базового варианта трансмиссии для малолитражного автомобиля следует рассматривать трансмиссию с пятиступенчатой коробкой передач с ручным управлением.


 

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ПОДБОРА СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ

Возможными путями уменьшения допустимых минимальных значений отношения N/V малолитражных автомобилей являются:

1) разработка схем силовых передач, обладающих повышенной жесткостью;

2) улучшение характеристики двигателя, приводящее к сглаживанию импульсов крутящего момента при малых частотах вращения вала;

3) установка смягчающих пружин и демпферов в сцеплении трансмиссии.

Отметим, что при подборе оптимальной силовой передачи в рассмотренном примере из условия выполнения требований пригодности трансмиссии получим наилучшую топливную экономичность около 56 миль/галлон (23,8 км/л) при времени разгона до скорости 60 миль/ч (96 км/ч), равном 10 с, для двигателя объемом 1,5 л.

Приведенный пример позволяет понять, какие требования существенно сдерживают улучшение топливной экономичности.


 

 

ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ

Применение электроники в автомобилях имеет сравнительно давнюю историю, начинающуюся с установки в автомобилях радиоприемников. Эта область ее применения постоянно развивается, начиная с первых ламповых автомобильных радиоприемников до новейших сложных радиоэлектронных систем на микропроцессорах.

Существенным новшеством в автомобильной промышленности стало использование электронно-цифровых устройств на микропроцессорах в качестве оборудования и средств управления. Это явилось следствием относительно малой их стоимости, а также способности их к одновременному регулированию нескольких параметров.

Применение микропроцессоров для управления в автомобилях началось с середины 1970-х г. и с тех пор постоянно и быстро расширяется. К 1980 г. выпускаемые промышленностью автомобили стали оснащаться двигателями, управляемыми с помощью микропроцессоров. Кроме того, значительно расширилось применение микропроцессоров в контрольно-измерительных приборах. Ясно, что их применение и в будущем будет быстро расширяться, охватывая управление всей силовой передачей. Более того, есть основания полагать, что будет развиваться и электронное управление динамикой автомобиля в виде «управления вождением».

Вероятно, наиболее важной областью применения микропроцессоров как средства управления автомобилем является система, электронного управления двигателем. Эта система дает возможность гораздо более точно регулировать состав топливной смеси и угол опережения зажигания, чем это удается сделать с помощью обычной системы пневмомеханического управления. Кроме того, появляется возможность оптимизации топливной экономичности двигателя на любом этапе его работы при соблюдении установленных правительством требований по токсичности отработавших Газов. Электронная система управления обеспечивает оптимальную работу средств регулирования уровней токсичности отработавших

газов по отношению к показателям автомобиля. К тому же, по-видимому, в ближайшем будущем такие системы будут применяться для управления трансмиссией.

В распоряжении конструктора автомобилей в настоящее время имеются разнообразные варианты силовых установок. Однако наибольшее распространение имеют бензиновые двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием. В этой главе будут рассматриваться двигатели лишь этого класса, поскольку именно для них наибольшее развитие получили системы электронного управления. Двигатель этого класса в последующем будет называться кратко: двигатель SI (the spark ignition engine — двигатель с искровым зажиганием).


 

 

ТРЕБОВАНИЯ К ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И ПОКАЗАТЕЛЯМ АВТОМОБИЛЯ

Необходимость применения электронного управления автомобильным двигателем обусловлена требованиями регулирования токсичности отработавших газов и необходимостью выполнения установленных правительством норм топливной экономичности. Эти последние нормы известны под сокращенным наименованием CAFE (corporative average fuel economy — обобщенный средний показатель топливной экономичности).

Требования к уровню токсичности отработавших газов автомобилей существуют в Соединенных Штатах Америки с 1966 г., когда они впервые были введены в штате Калифорния. Затем они были распространены на все штаты, а к концу 197.0-х г. стали значительно более жесткими. В отработавших газах контролируется содержание окиси углерода (СО), различных углеводородов (СН) и окислов азота.

Попытки удовлетворить приведенным выше требованиям с помощью обычных механических или гидравлических систем управления оказались безуспешными. Кроме того, механические системы управления не могут с достаточной степенью точности выполнять свои функции одинаково в различных автомобилях, в различных условиях и на протяжении всего срока эксплуатации автомобиля.

Эта проблема может быть решена путем использования систем регулирования с обратной связью, доступных при применении электронных систем управления. Технология производства систем управления с цифровыми вычислительными устройствами достигла такой степени, что стало возможным автоматическое регулирование работы двигателя по нескольких параметрам. Такие системы обладают большой гибкостью, их математическое обеспечение может изменяться в процессе разработки. Кроме того, изменения основных параметров двигателя могут также учитываться путем замены данных, хранящихся в памяти машины.

Немаловажным фактором является и то, что стоимость многофункциональных систем управления с ЭВМ значительно снизилась в результате технических достижений в полупроводниковой промышленности. Благодаря значительным капитальным вложениям в производство крупных и сверхкрупных интегральных схем стали доступными по относительно небольшой цене однокристалльные микроЭВМ. Такие микроЭВМ в состоянии выполнять различные функции, требуемые от сложной системы электронного управления двигателем. Стоимость выполнения каждой функции в абсолютном выражении продолжает снижаться.

Конечно, существует ряд других серьезных требований к системам автоматического управления двигателем автомобиля, среди которых стоимость производства, надежность и ремонтопригодность. Эти вопросы будут рассмотрены ниже.

В итоге в настоящее время в разработке доступных для промышленности систем электронного управления двигателями достигнут значительный прогресс. Ясно, что такие системы в будущем станут неотъемлемой частью автомобилей с двигателями внутреннего сгорания..


 

 

ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ

В современной теории используется несколько другой подход, отличный от простой системы с обратной связью. Однако характерные элементы классической управляющей системы, такие как привод и датчик, присутствуют и в современных системах управления. Современные системы управления вырабатывают несколько управляющих сигналов и контролируют разнообразные параметры.

Для современных систем управления характерно применение для обработки сигналов ЭВМ (или микроЭВМ). В этом случае появляется возможность учета более сложных соотношений между управляющим сигналом (или сигналами) и сигналом (или сигналами) на выходе, а не только их алгебраических разностей. Соотношение такого типа определяет стратегию управления. Существует много методов управления, пригодных для реализации в системах управления автомобильным двигателем. Представляет интерес рассмотреть эти методы и ознакомиться с основами современной теории управления в том виде, в котором она применяется для электронного автоматического управления двигателем.


 

 

ОБЗОР МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ

Возможность электронного управления составом отработавших газов автомобильного двигателя обусловлена тем, что на состав газов и на топливную экономичность существенно влияют соотношение количества воздуха и топлива в топливной смеси, опережение зажигания и работа системы рециркуляции отработавших газов. Это обстоятельство вместе с возможностью регулирования указанных параметров с помощью электронных устройств привело к эффективному использованию электронных систем управления двигателями, которые позволили добиться даже от двигателей относительно большого объема удовлетворения требованиям ЕРА по токсичности выпускных газов.

Одним из важных моментов для любой электронной системы управления является реализуемый метод управления. Метод управления автомобильным двигателем определяется набором задаваемых значений управляемых переменных, зависящих от условий работы двигателя. Существует много различных методов, которые можно было бы использовать для управления двигателем с искровым зажиганием. Каждый из них может в некоторой степени улучшить показатели двигателя.

В задачу этой главы не входит обсуждение всех известных методов. Мы рассмотрим лишь в теоретическом плане применение теории оптимального управления с целью ознакомления с методом, который позволяет оптимизировать топливную экономичность. Кроме того, мы рассмотрим один из методов управления, который уже применяется в большинстве выпускаемых в настоящее время автомобилей. Начнем с рассмотрения основных положений теории оптимального управления.

При этом будем предполагать, что мы имеем дело с электронной системой управления, оснащенной ЭВМ, которая в состоянии (почти непрерывно) определять требуемые значения параметров. Значения этих параметров задаются в соответствии с некоторым алгоритмом, позволяющим по определенной заданной совокупности критериев оптимизировать характеристики двигателя. Процесс определения оптимальных параметров работы двигателя является задачей, относящейся к классу задач условной оптимизации. Для понимания принципов оптимального электронного управления двигателем полезно кратко рассмотреть основы теории решения задач оптимизации при наличии ограничений.


 

Задача оптимизации при ограничении может быть сформулирована в виде нескольких задач безусловной оптимизации. Однако обсуждение такого метода управления выходит за рамки задач, поставленных в этой главе. Целесообразнее рассмотреть более простую теорию электронного (возможно не совсем оптимального) управления автомобильным двигателем. Метод управления, который будет рассмотрен, применим для двигателя с каталитическим нейтрализатором тройного действия и реализуется в выпускаемых промышленностью в настоящее время системах управления двигателями.

Применение концепций оптимального управления к управлению автомобильным двигателем является, по существу, конечной целью разработки электронной системы управления двигателем. Эти концепции реализованы в нескольких экспериментальных системах оптимального управления двигателями, при этом достигнуто некоторое повышение топливной экономичности. Однако ко времени написания этих строк систем управления двигателем, реализующих этот метод, не производилось. В последующем разделе будет рассмотрена концепция управления, уже реализованная в выпускаемых промышленностью системах.


 

 

КОНЦЕПЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КАТАЛИТИЧЕСКИХ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ ТРОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ

В одной из используемых в настоящее время систем управления основное внимание уделяется регулированию состава отработавших газов. Эта система применяется для управления работой двигателя при использовании каталитического нейтрализатора тройного действия (TWC-нейтрализатора). Каталитический нейтрализатор тройного действия изменяет состав отработавших газов, что позволяет снизить требования к составу продуктов сгорания топлива в двигателе. Состав газов, выходящих из выпускной трубы автомобиля, должен удовлетворять требованиям ЕРА. Использование каталитического нейтрализатора тройного действия позволяет снизить требования к составу продуктов сгорания топлива в двигателе и, таким образом, дает возможность улучшить характеристики двигателя. Выше указывалось, что эффективность применения каталитического нейтрализатора тройного действия для уменьшения трех основных вредных примесей зависит от отношения количества воздуха к количеству топлива в топливной смеси. Невозможно добиться одновременно наибольшего уменьшения всех трех примесей. Однако вполне приемлемый компромисс достигается при значении отношения количества воздуха к количеству топлива в топливной смеси, очень близком к стехиометрическому.

Эта система управления является системой управления с обратной связью, которая позволяет поддерживать среднее значение отношения количества воздуха к количеству топлива в топливной смеси в пределах ±0,05 относительно стехиометрического. Другие параметры работы двигателя (например, угол опережения зажигания и количество рециркулирующих отработавших газов) подбираются так, чтобы удовлетворить другим требованиям к характеристикам двигателя при условии нужного регулирования уровня токсичности отработавших газов.

В разработке электронных систем управления двигателем в настоящее время наметилась тенденция к созданию всеобъемлющих систем, оснащенных цифровыми устройствами. Фактически оснащенная цифровым устройством (т. е. микроЭВМ) система электронного управления, основным назначением которой является обеспечение стехиометрического состава топливной смеси при использовании каталитического нейтрализатора тройного действия, осуществляет ряд дополнительных функций, среди которых управление системой подачи воздуха, электронное управление опережением зажигания, управление числом оборотов холостого хода, управление продувкой, управление сцеплением гидротрансформатора и самодиагностика. Исполнение этих функций рассматривается отдельно, поскольку оно осуществляется почти независимо.

Как будет показано, в нормальном режиме работы по замкнутому циклу с неполностью открытой дроссельной заслонкой эта система регулирования состава топливной смеси является, по существу, обычной системой управления с обратной связью. Эта система имеет привод, позволяющий регулировать состав поступающей в двигатель тепловоздушной смеси, и датчик, позволяющий определить состав отработавших газов двигателя. Перед тем, как приступить к рассмотрению принципов работы этой системы, целесообразно отметить значение определения состава отработавших газов.

Состав отработавших газов определяется в молярных долях углерода, водорода и кислорода. Знание соотношения количеств этих веществ в отработавших газах позволяет оценить необходимое для их образования количество подаваемого воздуха и топлива, т. е. отношение количества воздуха к количеству топлива в топливовоздушной смеси.

Система управления имеет дополнительный режим работы, используемый при пуске двигателя. Указанный режим обеспечивает подачу богатой смеси в период пуска. Еще один режим работы, применяемый при больших нагрузках, обеспечивает обогащение топливовоздушной смеси.

Важной дополнительной функцией описываемой системы управления является регулирование угла зажигания. Угол может выбираться из условия оптимизации показателей двигателя по отношению к крутящему моменту или топливной экономичности. Подсистемами управления составом отработавших газов являются устройства регулирования подачи дополнительного воздуха.


 

 

РАБОТА В РЕЖИМЕ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА

Обычно работа системы управления начинается сразу с момента запуска двигателя в режиме открытого цикла. Впоследствии, когда выполняются некоторые условия (которые будут описаны ниже), система переключается на работу в режиме замкнутого цикла. Однако с методической точки зрения лучше начать с рассмотрения работы системы в режиме замкнутого цикла, не придерживаясь хронологического порядка смены режимов при холодном пуске.

Другой тип регулируемой системы подачи топлива — форсунки, с помощью которых осуществляется впрыск топлива в зону дроссельных заслонок (TBFI — throttle body fuel injection). Через образующую эту систему одну или две топливные форсунки осуществляется впрыск топлива в соответствии с сигналами системы управления.

Другой основной частью электронной системы управления подачей топлива, работающей в замкнутом цикле, является датчик количества кислорода в отработавших газах (EGO — exhaust gas oxygen sensor), являющийся по существу датчиком отношения количества воздуха к количеству топлива. Существуют два типа датчиков количества кислорода в отработавших газах. Один из них представляет собой гальванический датчик, напряжение на выходе которого при небольшом изменении обогащенного состава топливовоздушной смеси на обедненный резко изменяется. Этот датчик регистрирует парциальное давление кислорода в отработавших газах, которое, в свою очередь, зависит от отношения количества воздуха к количеству топлива в подаваемой топливовоздушной смеси. По этой причине показания этого датчика могут быть выражены в числах, представляющих собой отношение количества воздуха к количеству топлива.

Система регулирования подачи топлива, работающая в режиме замкнутого цикла, является типичной системой управления с обратной связью, в результате применения которой состав топливовоздушной смеси циклически изменяется, будучи близким к стехиометрическому. Частота колебаний состава смеси обычно изменяется в диапазоне от 0,3 до 10 Гц. Амплитуда колебаний, как правило, такова, что разница между пиковыми значениями отношения количества воздуха к количеству топлива в топливной смеси составляет менее двух единиц.

Работающие в режиме замкнутого цикла системы регулирования состава подаваемой топливовоздушной смеси, используемые в различных двигателях, отличаются друг от друга в некоторых деталях. Однако основные принципы управления для всех систем, в которых используются нейтрализаторы тройного действия, одинаковы. Таким образом, характерные особенности системы управления такого типа могут быть рассмотрены на каком-либо одном примере. Последующее краткое описание методологии управления подачей топлива в режиме замкнутого цикла основывается на материале, содержащемся в этих работах. Большинство деталей практического характера, связанных с особенностями работы выпускаемых промышленностью систем управления, опущены с целью более наглядного описания основных принципов.


 

 

РАБОТА В РЕЖИМЕ ОТКРЫТОГО ЦИКЛА

При работе в режиме открытого цикла ЭВМ обрабатывает сигналы этих датчиков с целью определения требуемой скорости подачи топлива. Скорость подачи топлива определяется моментом и продолжительностью открытия пары форсунок Они представляют собой электромеханические устройства, состоящие из приводимых в движение соленоидом штоков и игольчатых клапанов. При включении соленоида клапан открывается и осуществляется впрыск топлива под давлением в поток воздуха. Скорость подачи топлива зависит от давления топлива, параметров цикла электрического сигнала, управляющего работой соленоида, и геометрических характеристик форсунки.

Система электронного управления подачей топлива «Форд EEC—III» позволяет определять длительность впрыска, даже когда число впрысков в секунду достигает 167. Это позволяет регулировать подачу топлива во всем диапазоне скоростей вращения коленчатого вала двигателя. Импульс, подаваемый к форсунке, усиливается до такой степени, которая необходима для обеспечения работы форсунок. Этот усиленный импульс включает соленоид, открывающий клапан форсунки. Количество подаваемого топлива определяется временем, в течение которого клапан остается открытым, и давлением топлива, поступающего в форсунку. При применении системы «Форд», как и практически всех других электронных систем управления подачей топлива, это давление поддерживается постоянным.

Сказанное выше относится к работе системы в режиме открытого цикла в обычных условиях при прогретом двигателе. В. некоторых же условиях требуется изменение состава топливо-воздушной смеси. Например, когда двигатель не прогрет, для компенсации эффекта уменьшения испаряемости топлива топливная смесь должна быть богатой. В системе «Форд EEC—III» такое изменение состава топливовоздушной смеси осуществляется путем кусочно-линейной аппроксимации зависимости требуемого отношения количества воздуха к количеству топлива от Тс, Те и времени, прошедшего после пуска. Кроме того, осуществляется корректировка состава смеси в соответствии с кусочно-линейной аппроксимацией его зависимости от абсолютной температуры во впускном трубопроводе и скорости вращения коленчатого вала двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке.

При работе в режимах 1 и 5 длительность впрыска корректируется только по значению температуры охладителя Тс. В системе «Форд EEC—III» применяется кусочно-линейная корректировка.


 

В обычном карбюраторе, в котором изменение положения дроссельной заслонки осуществляется быстро (например, ступенчато) отношение количества воздуха к количеству топлива в топливной смеси увеличивается также быстро. Для компенсации этого увеличения применяется связанный с дроссельной заслонкой ускорительный насос. Быстрое увеличение угла открытия дроссельной заслонки приводит к увеличению подачи топлива с помощью ускорительного насоса.

В электронной системе управления подачей топлива «Форд» вместо ускорительного насоса для увеличения подачи топлива предусмотрены дополнительные впрыски топлива сверх обычных, производящихся через каждые 90° поворота коленчатого вала. Количество и длительность этих дополнительных впрысков зависят от скорости раскрытия дроссельной заслонки и начального угла ее раскрытия. В системе «Форд EEC—III» для обогащения топливовоздушной смеси при ускорении применяется алгоритм кусочно-линейной корректировки.

Работа описываемой электронной системы регулирования подачи топлива характеризуется целым рядом заслуживающих внимания особенностей, однако их обсуждение выходит за рамки данной главы.

В процессе перехода к работе в режиме замкнутого цикла после пуска двигателя ЭВМ принимает ряд решений, основываясь на показаниях различных датчиков. В различных системах регулирования подачи топлива ЭВМ выполняют разные операции, их подробное описание также выходит за рамки данной главы.

На изображенной блок-схеме представлены условия, в соответствии с которыми выбирается тот или иной режим работы. Пусковой режим выбирается при очень малом напряжении ЕСМ или при очень малой скорости вращения коленчатого вала. При этом режиме электрический ток подается лишь к сигнальной лампочке двигателя. После пускового режима в течение некоторого заданного периода времени действует режим, обеспечивающий подачу обогащенной смеси на начальном этапе движения. Продолжительность работы в этом режиме зависит от температуры охладителя.


 

После завершения периода подачи обогащенной топливо-воздушной смеси система может перейти к работе в режиме либо открытого либо замкнутого цикла. В режиме замкнутого цикла система может работать, если выполнены следующие условия: датчик количества кислорода в отработавших газах полностью включился в работу, начальный этап движения завершен и температура охладителя в двигателе достигла некоторой определенной величины. Если эти условия не выполнены, система начинает работать в режиме открытого цикла.

Приведенное выше описание работы в режимах открытого и замкнутого циклов лишь в общих чертах характеризует работу современных систем управления двигателем автомобиля. В деталях работа отдельных систем может иметь свои особенности. Однако описанные примеры достаточно правильно отражают современные достижения в этой области.

Ранее было показано, что регулирование момента зажигания заметно влияет на показатели двигателя и состав отработавших газов. Вообще говоря, для каждого режима работы двигателя существует свой оптимальный момент зажигания. Этот момент обычно характеризуется углом опережения зажигания (SA — spark advance), измеряемым в градусах угла поворота коленчатого вала относительно ВМТ.

Традиционным способом регулирования угла опережения зажигания было изменение значения угла положения коленчатого вала, при котором подается искра, в зависимости от степени разрежения во всасывающем трубопроводе и от частоты вращения коленчатого вала. Качество регулирования угла опережения зажигания при этом определяется характеристиками используемой пневмомеханической системы.


 

 

ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ

Применение электронных систем управления двигателем автомобиля убедительно показало возможность выполнения современными автомобилями требований ЕРА по токсичности отработавших газов. Кроме того, достигнутое в последние годы улучшение экономичности также, частично, является следствием применения этих систем.

Системы управления двигателем с ЭВМ могут осуществлять ряд других функций, отличных от регулирования подачи топлива и установки угла опережения зажигания. Например, они могут применяться для включения, выключения и регулирования системы рециркуляции отработавших газов. Они могут применяться также для регулирования процесса удаления продуктов сгорания путем продувки и для шунтирования сцепления гидротрансформатора, что позволяет надежно блокировать его.

 

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ

В настоящее время невозможно точно предсказать пути развития электронных систем управления силовой передачей автомобиля. Однако представляется целесообразным указать некоторые возможные направления.

Весьма вероятно, что будет продолжаться разработка многофункциональных единых систем управления двигателем и трансмиссией. Однако нет никакой уверенности, что основное внимание по-прежнему будет уделяться системам управления, предполагающим применение катализаторов тройного действия. К настоящему времени имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о перспективности исследований и в ряде других направлений. К таким направлениям относятся использование очень бедных топливовоздушных смесей при применении бензина, а также применение других топлив, систем регулирования угла опережения зажигания, турбонаддува, двигателей с переменным рабочим циклом и т. п.

Какое именно из возможных достижений автомобильной промышленности будет реализовано в автомобилях массового производства, предсказать очень трудно. Автор надеется, что ознакомление с изложенным в этой главе материалом позволит заинтересованному читателю со знанием дела следить за развитием этой увлекательной области автомобилестроения.

роллы

лос анджелес кингз новости

автомобильные аккумуляторы