Характеристика ТРД по числу оборотов представляет собой кривые, которые показывают изменение тяги и удельного расхода топлива при изменении числа оборотов (при постоянной скорости и высоте полета).
Характеристика по числу оборотов показана на рис. 41.
При изменении тяги по оборотам отмечаются следующие основные режимы работы двигателя:
1. Малый газ или число оборотов холостого хода. Это наименьшее число оборотов, при котором двигатель работает устойчиво и надежно. При этом в камерах сгорания происходит устойчивое сгорание, а мощность турбины вполне достаточна для вращения компрессора и агрегатов.
Для ТРД с центробежным компрессором число оборотов холостого хода равно 2400-2600 в минуту. Тяга двигателя на холостом ходу не превышает 75-100 кг.
Начислах оборотов холостого хода удельный расход топлива не является характерной величиной; здесь обычно приводится часовой расход топлива.
При числах оборотов холостого хода турбина работает в тяжелых температурных условиях, кроме того, подача масла в подшипники очень мала. Поэтому время непрерывной работы на малом газе ограничивается 10 минутами.
2. Крейсерский режим - двигатель работает на числах оборотов, при которых тяга составляет примерно 0,8 Р МАКС.
Рис. 41. Характеристики ТРД по числу оборотов.
При этих числах оборотов гарантируется непрерывная и надежная работа двигателя в течение установленного срока службы (ресурса двигателя).
Конструктор так подбирает параметры двигателя (ε, Т, КПД), чтобы на крейсерском режиме получить наименьший удельный расход топлива.
Крейсерский режим работы двигателя используется при полетах на продолжительность и дальность.
3. Номинальный режим - двигатель работает на числах оборотов, при которых тяга составляет примерно 0,9 Р МАКС.
Непрерывная работа на этом режиме разрешается не более 1 часа.
На номинальном режиме производятся набор высоты и полеты на повышенных скоростях.
По номинальному режиму производятся тепловой расчет двигателя и расчет деталей на прочность.
4. Максимальный (взлетный) режим - двигатель развивает максимальное число оборотов, при котором получается максимальная тяга Р МАКС - на этом режиме допускается непрерывная работа не свыше 6-10 минут.
Максимальный режим используется для взлета, набора высоты и кратковременного полета на максимальной скорости (когда необходимо догнать противника и атаковать его).
Характеристика по числу оборотов строится при стандартных атмосферных условиях: давлении воздуха Р О = 760 мм рт. ст. и температуре Т 0 = 15 0 С.
Рис. 42. Изменение удельного расхода топлива по числу оборотов.
С увеличением числа оборотов двигателя (при постоянных высоте и скорости полета) увеличивается секундный расход воздуха через двигатель G СЕК и степень сжатия компрессора ε КОМП. В результате резко растет тяга двигателя и уменьшается удельный расход топлива, ТРД более экономичен на больших числах оборотов. Если удельный расход топлива на максимальных оборотах принять за 100%, то удельный расход топлива на оборотах холостого хода будет 600-700% (рис. 42). Поэтому надо всемерно сокращать работу ТРД на оборотах холостого хода.
5. Форсаж. Для двигателей, имеющих форсажную камеру, в характеристике указывается также тяга, удельный расход топлива и продолжительность работы двигателя при включении форсажа - форсажной камеры.
При запуске ТРД первоначальная раскрутка вала до чисел оборотов холостого хода производится вспомогательном пусковым двигателем.
В качестве пускового двигателя используются: электрические стартеры, стартер-генераторы, турбореактивные стартеры.
Электрический стартер представляет собой электродвигатель постоянного тока, питающийся током от самолетных или аэродромных аккумуляторов во время запуска. Мощность его порядка 15-20 л. с.
На некоторых ТРД устанавливается стартер-генератор, который при запуске работает как электродвигатель, а во время работы двигателя работает как генератор - питает током самолетную сеть.
Электрический стартер, или стартер-генератор, включается в автоматическую систему запуска, и его работа согласована с работой пусковой топливной системы и системы зажигания.
Турбореактивный стартер представляет вспомогательный турбореактивный двигатель, устанавливаемый на мощных ТРД.
Небольшой электродвигатель запускает турбореактивный стартер, который раскручивает до оборотов холостого хода основной двигатель и автоматически выключается.
Выбор требуемого распредвала следует начинать с принятия двух важных решений:
Во-первых, давайте проверим, как мы определим рабочий диапазон оборотов, и как выбор распредвала определяется этим выбором. Максимальные обороты двигателя обычно легко выделить, т. к. они непосредственно влияют на надежность, в частности, когда главные детали блока являются обычными.
Максимальные обороты двигателя и надежность для большинства двигателей
| Максимальное число оборотов двигателя | Предполагаемые условия работы | Ожидаемый срок службы с соответствующими деталями |
| 4500/5000 | Обычное движение | Более 160 000 км |
| 5500/6000 | "Мягкая" форсировка | Более 160 000 км |
| 6000/6500 | Примерно 120 000- 160 000 км | |
| 6200/7000 | Форсировка для повседневной езды/"мягкие" гонки | Около 80 000 км |
| 6500/7500 | Очень "жесткая" уличная езда или гонки от "мягких" до "жестких" | Менее 80 000 км при уличной езде |
| 7000/8000 | Только "жесткие" гонки | Примерно 50-100 заездов |
Имейте в виду, что эти рекомендации являются общими. Один двигатель может держаться намного лучше, чем другой в любой категории. То, как часто двигатель разгоняется до максимальных оборотов, является также очень важным. Однако в качестве общего правила нужно руководствоваться следующим: максимальные обороты двигателя должны быть ниже 6500 об/мин, если вы создаете форсированный двигатель для повседневной езды, и требуется его надежная работа. Эти обороты двигателя являются обычными для пределов большинства деталей и могут быть получены с помощью клапанных пружин среднего усилия. Поэтому если основной целью является надежность, то максимальные обороты в 6000/6500 об/мин будут практичным пределом. Хотя решение о максимальных требуемых оборотах может быть относительно простым процессом, в принципе основанном на надежности (и, может быть, на стоимости), неопытный конструктор двигателей может считать определение рабочего диапазона оборотов двигателя намного более сложной и опасной задачей. Подъем клапанов, длительность тактов и профиль кулачков распределительного вала будут определять диапазон мощности, и некоторые неопытные механики могут поддаться соблазну выбрать самый "большой" из возможных распредвалов в попытках увеличить максимальную мощность двигателя. Однако важно знать, что максимальная мощность необходима только на короткое время, когда двигатель развивает максимальные обороты. Мощность, требуемая от большинства форсированных двигателей, намного ниже максимальной мощности и числа оборотов; фактически, типичный форсированный двигатель может "увидеть" полное открывание дроссельной заслонки лишь несколько минут или секунд за целый день работы. Однако, некоторые неопытные двигателестроители игнорируют этот очевидный факт и выбирают распредвал больше по интуиции, чем руководствуясь? Если вы подавите свои желания и сделаете тщательный выбор, основанный на реальных фактах и возможностях, то вы сможете создать двигатель, способный выдавать впечатляющую мощность. Всегда имейте в виду, что распредвал является в значительной степени компромиссной деталью. После определенного момента все прибавки даются ценой мощности на низких оборотах, потери приемистости, экономичности и т. д. Если вашей целью является увеличение числа лошадиных сил, то сначала произведите модификации, которые добавляют максимальную мощность путем улучшения эффективности впуска, так как эти изменения имеют меньший эффект на мощность при низких оборотах. Например, оптимизируйте потоки в головке блока цилиндров и в выпускной системе, уменьшите сопротивление потоку во впускном коллекторе и в карбюраторе, затем устанавливайте распредвал в дополнение ко всему выше указанному "набору". Если вы используете эти приемы обдуманно, то двигатель будет выдавать более широкую кривую мощности, возможную для ваших вложений времени и средств.
В заключение, - если у вас автомобиль с автоматической трансмиссией, то нужно быть консерватором при подборе фаз газораспределения вашего распредвала. Слишком большая продолжительность открытия клапанов будет ограничивать мощность и крутящий момент двигателя на низких оборотах, которые являются необходимыми элементами в обеспечении хорошего разгона и трогании автомобиля с места. Если преобразователь крутящего момента (гидротрансформатор) вашего автомобиля останавливается при 1500 об/мин (типичное значение для многих стандартных трансмиссий), то распредвал, который выдаетхороший крутящий момент, хотя и не обязательно максимальную мощность, при 1500 об/мин будет обеспечивать хороший разгон. Вы можете поддаться искушению использовать гидротрансформатор с высокими оборотами остановки и распредвал с большой продолжительностью открывания клапанов в попытках добиться лучшего результата. Однако если вы используете один из этих гидротрансформаторов при обычном движении то их эффективность на низких оборотах будет очень низкой. Топливная эффективность пострадает довольно сильно. Для автомобиля повседневного использования имеются более эффективные пути для улучшения разгона с низких оборотов.
Давайте подытожим основные элементы выбора распредвала. Во-первых, для повседневной езды максимальные обороты двигателя должны поддерживаться на уровне, не превышающем 6500 об/мин. Обороты, превышающие этот предел, будут заметно сокращать срок службы двигателя и увеличивать стоимость деталей. Хотя "обычный" двигатель может получать преимущества от как можно большего подъема клапанов, слишком большая величина подъема клапанов будет уменьшать надежность двигателя. Для всех распредвалов с высоким подъемом клапанов бронзовые направляющие втулки клапанов являются необходимым элементом для обеспечения долгого срока службы втулки, но для подъема клапанов в 14,0 мм и больше даже бронзовые направляющие втулки не могут уменьшить износ до уровня, приемлемого для обычных применений.
Чем дольше клапаны удерживаются открытыми, особенно впускной клапан, тем большую максимальную мощность будет выдавать двигатель. Однако из-за изменчивой натуры фаз газораспределения распредвала, если продолжительность открывания клапанов или перекрытие клапанов перейдут определенное значение, вся дополнительная максимальная мощность будет получена ценой качества работы на низких оборотах. Распредвалы с длительностью такта впуска до 2700, измеренного при нулевом подъеме клапана, являются хорошей заменой для стандартных распредвалов. Для высокофорсированных двигателей верхний предел продолжительности такта впуска более 2950 является принадлежностью чисто гоночного двигателя.
Перекрытие клапанов вызывает некоторые потери крутящего момента на низких оборотах, однако, эти потери уменьшаются, когда перекрытие тщательно подбирается для конкретного применения - примерно от 400 для распредвалов стандартных двигателей до 750 или более для специальных применений.
Продолжительность открывания клапанов, перекрытие клапанов, фазы газораспределения и углы между центрами кулачков связаны между собой, Невозможно настраивать каждую из этих характеристик независимо на двигателях с одним распредвалом.
К счастью, большинство специалистов по обработке распредвалов потратили многие годы на создание профилей кулачков для обеспечения мощности и надежности, поэтому они могут предложить распредвал, хорошо подходящий к вашим запросам. Однако, не воспринимайте слепо то, что мастера предлагают вам; теперь вы обладаете необходимой информацией для компетентного обсуждения особенностей распредвалов с их изготовителями.
В конце концов, распредвал является одной из деталей системы впуска. Он должен сочетаться с головкой блока цилиндров, впускным коллектором и выпускной системой. Объем впускного коллектора и размер труб выпускного коллектора должны быть подобраны так, чтобы соответствовать кривой мощности двигателя. В дополнение к этому, скорость потока воздуха в карбюраторе, число камер, тип активации вторичной камеры и т. д. также оказывают заметное влияние на мощность.
Режим эксплуатации двигателя – один из главных факторов, влияющих на скорость износа его деталей. Хорошо, когда автомобиль оборудован автоматической коробкой либо вариатором, самостоятельно выбирающим момент перехода на высшую или низшую передачу. На машинах с «механикой» переключением занимается водитель, который «раскручивает» мотор по своему разумению и не всегда правильно. Поэтому автолюбителям без опыта стоит изучить, на каких оборотах лучше ездить, чтобы максимально продлить ресурс силового агрегата.
Движение на малых оборотах с ранним переключением
Зачастую инструктора автошкол и старые водители рекомендуют новичкам ездить «в натяг» – переходить на высшую передачу при достижении 1500–2000 об/мин коленчатого вала. Первые дают советы из соображений безопасности, вторые – по привычке, ведь раньше на машинах стояли низкооборотные моторы. Сейчас подобный режим годится разве что для дизеля, чей максимальный крутящий момент находится в более широком диапазоне оборотов, чем у бензинового двигателя.
Не все автомобили оборудованы тахометрами, поэтому малоопытным водителям при данном стиле езды стоит ориентироваться по скорости движения. Режим с ранним переключением выглядит так: 1-я передача – движение с места, переход на II – 10 км/ч, на III – 30 км/ч, IV – 40 км/ч, V – 50 км/ч.
Подобный алгоритм переключения – признак очень спокойного стиля вождения, дающий несомненное преимущество в безопасности. Минус – в повышении скорости износа деталей силового агрегата и вот почему:
- Масляный насос достигает номинальной производительности начиная с 2500 об/мин. Нагрузка при 1500–1800 оборотах вызывает масляное голодание, особенно страдают шатунные подшипники скольжения (вкладыши) и компрессионные поршневые кольца.
- Условия сжигания топливовоздушной смеси далеки от благоприятных. В камерах, на тарелках клапанов и днищах поршней усиленно откладывается нагар. В процессе работы эта сажа раскаляется и воспламеняет топливо без искры на свече зажигания (эффект детонации).
- Если нужно резко увеличить обороты двигателя при ездес самых «низов», вы нажимаете на акселератор, но разгон остается вялым, пока мотор не достигнет своего крутящего момента. Но как только это происходит, вы включаете высшую передачу и частота вращения коленвала снова падает. Нагрузка большая, смазки недостаточно, помпа слабо перекачивает антифриз, отсюда возникает перегрев.
- Вопреки распространенному мнению, экономия бензина в данном режиме отсутствует. При нажатии на педаль газа топливная смесь обогащается, но сгорает не полностью, значит, расходуется впустую.
Владельцам авто, оснащенных бортовым компьютером, легко убедиться в неэкономичности движения «в натяг». Достаточно включить на дисплее показ мгновенного расхода горючего.
Подобная манера езды усиленно изнашивает силовой агрегат, когда автомобиль эксплуатируется в тяжелых условиях – по грунтовым и проселочным дорогам, с полной загрузкой либо прицепом. Не стоит расслабляться и владельцам авто с мощными моторами объемом 3 л и более, способными резко ускоряться с «низов». Ведь для интенсивного смазывания трущихся деталей двигателя нужно держать минимум 2000 об/мин коленчатого вала.
Чем вредна высокая частота вращения коленвала?
Манера езды «тапку в пол» подразумевает постоянное раскручивание коленчатого вала до 5–8 тыс. оборотов за минуту и позднее переключение скоростей, когда от шума двигателя буквально звенит в ушах. Чем чреват данный стиль вождения, кроме создания аварийных ситуаций на дороге:
- все узлы и агрегаты автомобиля, а не только мотор, испытывают максимальные нагрузки в течение срока эксплуатации, что снижает общий ресурс на 15–20%;
- из-за интенсивного нагрева двигателя малейший сбой охлаждающей системы ведет к капитальному ремонту вследствие перегрева;
- трубы выхлопного тракта прогорают значительно быстрее, а вместе с ними – дорогостоящий катализатор;
- ускоренно изнашиваются элементы трансмиссии;
- поскольку частота вращения коленвала превышает нормальные оборотычуть ли не вдвое, расход горючего тоже увеличивается в 2 раза.
Эксплуатация автомобиля «на разрыв» имеет дополнительный негативный эффект, связанный с качеством дорожного покрытия. Движение на большой скорости по неровным дорогам буквально убивает элементы подвески, причем в кратчайшие сроки. Достаточно влететь колесом в глубокую выбоину – и передняя стойка согнется либо треснет.
Как правильно ездить?
Если вы не автогонщик и не приверженец езды «внатяжку», которому трудно переучиться и поменять стиль вождения, то для сбережения силового агрегата и автомобиля в целом старайтесь удерживать рабочие обороты двигателя в диапазоне 2000–4500 об/мин. Какие бонусы вы получите:
- Пробег до капитального ремонта мотора увеличится (полный ресурс зависит от марки авто и мощности мотора).
- Благодаря сгоранию топливовоздушной смеси в оптимальном режиме вы сможете экономить горючее.
- Быстрый разгон доступен в любой момент, стоит лишь нажать на педаль акселератора. Если оборотов недостаточно, с ходу переключайтесь на низшую передачу. Те же действия повторяйте при движении в гору.
- Система охлаждения будет функционировать в рабочем режиме и убережет силовой агрегат от перегрева.
- Соответственно, дольше прослужат элементы подвески и трансмиссии.
Рекомендация. На большинстве современных автомобилей, оснащенных высокооборотными бензиновыми моторами, лучше переключать передачи при достижении порога 3000 ± 200 об/мин. Это касается и перехода с высшей на низшую скорость.
Как говорилось выше, приборные панели авто не всегда имеют тахометры. Для водителей с малым стажем вождения это является проблемой, поскольку частота вращения коленвала неизвестна, а ориентироваться по звуку новичок не умеет. Есть 2 вариант решения вопроса: купить и установить на торпедо электронный тахометр либо пользоваться таблицей, где указаны оптимальные обороты двигателя по отношению к скорости движения на разных передачах.
| Позиция 5-ступенчатой коробки передач | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Оптимальная частота вращения коленвала, об/мин | 3200–4000 | 3500–4000 | не менее 3000 | > 2700 | > 2500 |
| Приблизительная скорость автомобиля, км/ч | 0–20 | 20–40 | 40–70 | 70–90 | более 90 |
Примечание. Учитывая, что у различных марок и модификаций машин разное соответствие скорости движения и числа оборотов, в таблице приведены усредненные показатели.
Несколько слов о езде накатом с горы либо после разгона. В любой системе топливоподачи предусмотрен режим принудительного холостого хода, активирующийся в определенных условиях: автомобиль движется накатом, включена одна из передач, а обороты коленвала не опускаются ниже 1700 об/мин. Когда режим активирован, подача бензина в цилиндры блокируется. Так что вы спокойно можете тормозить двигателем на высшей скорости, не боясь напрасно израсходовать горючее.
