Улучшение эксплуатационно-технических показателей легкового автомобиля малого класса ВАЗ-2110

    Для улучшения  топливной экономичности очень  важно уменьшить сопротивление  движению: аэродинамическое сопротивление, сопротивление качению.

    Уменьшить сопротивление  качению возможно при помощи оптимального выбора шин, давления в них.

    Низкий уровень  аэродинамических качеств, к сожалению, свойственен отечественным автомобилям. Повышение соответствующих показателей  возможно за счёт изменения профиля кузова, применение различных обтекателей.

 

Другим важным эксплуатационно-техническим показателям является надёжность.

 

Надежностью принято называть свойство объекта, в данном случае автомобиля или его составной части, сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.  

   
Надежность является комплексным свойством автомобиля и его составных частей и включает в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. 
 
Безотказность - это свойство автомобиля или его составной части сохранять работоспособность в течение определенного времени или пробега без вынужденных перерывов для устранения отказов.  
    Определение показателей безотказности позволяет прогнозировать выход автомобиля и его составных частей из строя и планировать расход запасных частей, а также оптимизировать периодичность и номенклатуру работ по его техническому обслуживанию и ремонту. 
 
Долговечность - это свойство автомобиля или его составной части сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. К основным показателям долговечности относятся следующие. Определение показателей долговечности позволяет нормировать ресурсы и сроки службы автомобилей и их агрегатов. 
 
Ремонтопригодность (эксплуатационная технологичность) - это свойство автомобиля или и его составной части, заключающееся в приспособленности его к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.  
 
Сохраняемость - это свойство автомобиля или его составной части сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования. Срок сохраняемости - это календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования автомобиля или его составной части, в течение которой сохраняются значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в установленных пределах.

 

1.2 Обоснование  мероприятий по системе управления  автомобилем.

 

Рассмотрим системы подачи топлива и управления двигателем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Рис.1)

 

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из следующих фаз

(рис.1). Фаза всасывания, во  время которой поршень опускается  вниз, и через открытый впускной  клапан, топливно-воздушная смесь поступает в цилиндр. Во время следующей фазы происходит сжатие рабочей смеси. После воспламенения происходит рабочий ход поршня, во время которого энергия сгорания топлива передается двигателю. Во время выпуска через открытый выпускной клапан происходит выброс продуктов сгорания топливной смеси.Для правильной работы бензинового двигателя требуется определенное соотношение между количествами поступающего топлива и воздуха. Соотношение 14.7:1 теоретически является наиболее оптимальным по критерию полного сгорания и называется коэффициентом избытка воздуха λ=1 . Назначением электронной системы впрыска топлива является поддержание этого соотношения  в пропорции, наиболее соответствующей температурным условиям, нагрузке на двигатель, достаточной динамике разгона, требованиям экономичности и экологии. Электронная система  позволяет точно соизмерять количество подаваемого топлива с режимом и нагрузкой двигателя, гибко реагировать на изменение условий эксплуатации автомобиля. 
Наиболее распространенной является многоточечная система впрыска топлива. В этой системе топливо в каждый цилиндр поступает через свою форсунку, которая распыляет бензин непосредственно перед впускным клапаном соответствующего цилиндра. Центральный впрыск (CFI)- это система, при которой форсунка подает топливо по оси диффузора перед дроссельной заслонкой. Механические системы дозированной подачи топлива в данной работе не рассматриваются.  
Применение данных систем обеспечивает следующие преимущества. 
    1.Снижение расхода топлива. Получение информации о режимах работы двигателя (например, частота вращения, температуры, положения дроссельной заслонки, нагрузка и т.п.) делает возможным точное согласование  функционирования системы и соответствие подачи топлива потребности в нем двигателя. 
    2.Увеличение мощности двигателя. Достигается за счет лучшего наполнения цилиндров, мелкодисперсного распыления топлива и оптимальной геометрии впускного коллектора, оптимальной установки угла опережения зажигания, соответствующего рабочему режиму двигателя. 
     3.Улучшение динамических свойств автомобиля. Система впрыска обладает достаточным быстродействием для незамедлительного реагирования на изменение нагрузки. Подача топлива непосредственно к впускному клапану с распылением под большим давлением резко снижает пленкообразование, улучшает параметры топливно-воздушной смеси, что увеличивает динамический момент двигателя и мощность на коленвале. 
    4.Улучшение холодного пуска и прогрева двигателя. Оптимальные дозировка топлива и величина холостого хода (ХХ) в зависимости от температуры и частоты вращения двигателя позволяет достичь быстрого запуска двигателя и возрастания частоты вращения. 
    5.Снижение токсичности отработанных газов. Вследствие оптимальности топливно-воздушной смеси, а также, применения датчиков параметров выхлопных газов, система управления не допускает работу двигателя на переобогащенной топливно-воздушной смеси. 
    При запуске холодного двигателя требуется обогащение топливной смеси, из-за недостаточного перемешивания всасываемого воздуха с топливом, усиленного пленкообразования, низкой кондиции холодного двигателя, что реализуется использованием форсунки холодного старта или значительным увеличением времени открывания форсунки. После пуска двигателя при низких температурах топливно-воздушная смесь обогащается путем подачи дополнительного топлива до тех пор, пока не повысится температура в камере сгорания и не улучшится смесеобразование в цилиндрах. Дополнительно, за счет обогащенной смеси достигается больший крутящий момент на коленвале мотора.

 

При частичных нагрузках (ХХ, сброс оборотов), главным критерием для количества подаваемого топлива, является минимальный расход топлива. 
При полностью открытой дроссельной заслонке, двигатель должен достичь максимального крутящего момента, и поэтому смесь обогащается до a=0.85-0.9. 
При ускорении, т.е. быстром открывании дроссельной заслонки, кратковременно происходит обеднение топливной смеси вследствие ограниченной способности топлива к испарению при повышении давления во впускном коллекторе. Для компенсации этого применяется кратковременное, неадекватное показаниям датчика потока воздуха, увеличение времени или частоты открывания форсунок, а также увеличение давления подачи топлива (для того, чтобы разница давления во впускном коллекторе и давления подачи была постоянной). 
При движении на принудительном ХХ, т.е. при закрытии дроссельной заслонки и достаточно высокой частоте вращения двигателя, подача топлива практически прекращается. При уменьшении частоты вращения ниже заданного порога подача топлива возобновляется. Данный режим позволяет снижать расход топлива и токсичность выхлопных газов.  

 

Преимущества и недостатки различных систем впрыскивания бензина

В большинстве ведущих стран, где применение трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов является обязательным, системы впрыскивания бензина почти полностью вытеснили карбюраторные. Сравним две из них - системы центрального и распределенного впрыскивания. Система центрального впрыскивания при относительно небольшом усложнении по сравнению с карбюраторной ненамного улучшает экономические и экологические показатели и ездовые качества. Переход с карбюраторной системы на центральное впрыскивание не требует серьезных изменений конструкции двигателя и перестройки производства. Впускной трубопровод, как правило, не изменяется. Давление впрыска увеличивается на небольшую величину, сохраняется возможность использовать различные устройства для улучшения смесеобразования (подогрев смеси, ультразвуковое распыливание), системы с обратной связью от кислородного датчика для поддержания заданного соотношения расхода воздуха к расходу топлива, равного 14,7 (стехиометрический состав смеси), чтобы выброс оксидов азота был минимален. Кроме того, можно обеспечить оптимальный состав смеси на основных эксплуатационных режимах, исключить влияние приливно-отливных явлений в поплавковой камере карбюратора при разгоне, крутых поворотах, движении на подъем.

    Однако и двигатели с центральным впрыском не избавлены от большинства недостатков, присущих карбюраторным системам питания: неравномерное распределение смеси по цилиндрам (по составу) и наличие топливной пленки на стенках впускного трубопровода. Вследствие этого динамические и экономические показатели улучшаются не намного. Поэтому автомобили, предназначенные для эксплуатации в странах с жесткими требованиями к токсичности отработавших газов, оборудуются преимущественно системами распределенного фазированного впрыскивания бензина.

    Впрыскивание топлива в цилиндр может осуществляться во время хода впуска для создания гомогенной смеси в заряде. Этот способ использовался преимущественно в авиационных двигателях и автомобильных форсированных двигателях (Mersedes M 196, 300SL). Впрыскивание в цилиндр может производиться и с целью послойного распределения топливного заряда в камере сгорания, обеспечивающего возможность сжигания переобедненных смесей. Примером могут служить циклы TCCS-Texaco, Proco, Mitsubishi и др. Двигатели Mitsubishi и Toyota с впрыском в цилиндр освоены в серийном производстве.

    Основной проблемой двигателей с впрыскиванием в цилиндр является недостаточное качество распыливания, а при впрыскивании в форкамеру еще и увеличение поверхности камеры сгорания, повышенные потери в охлаждающую среду и увеличение выброса СН. Поэтому большинство данных систем находится в стадии экспериментальных разработок.

Широкое распространение в современных двигателях получили системы впрыскивания на впускной клапан или во впускной канал. Системы распределенного впрыскивания топлива с электронным блоком управления по сравнению с карбюраторной системой питания и центральным впрыском имеют следующие преимущества: возможность существенно улучшить наполнение двигателя на высоких частотах вращения коленчатого вала, а следовательно, и за счет равномерного распределения смеси по цилиндрам, исключения подогрева смеси, применение инерционного наддува (без нагнетателя), что приводит к росту мощностных показателей (на 30-40%). Кроме того, одновременно удается добиться оптимальных показателей на всех рабочих режимах, стабилизировать регулировочные параметры в процессе эксплуатации в различных климатических условиях, сделать менее жесткими (из-за снижения температуры заряда при испарении топливных капель в цилиндре) требования к октановому числу топлива. Наибольшего эффекта удается добиться за счет практически мгновенного изменения цикловой подачи топлива по заданной программе и отсутствия топливной пленки во впускном трубопроводе во время разгона при переходе на режим торможения двигателем, избавления от влияния приливно-отливных явлений при разгоне и прохождении поворотов с повышенными скоростями, во время прогрева двигателя и т.д. Значительное улучшение динамических качеств автомобиля обеспечивается на двигателях с принудительным наддувом (с механическим приводом) в сочетании с системой впрыскивания (особенно при эксплуатации в горных условиях).

В большинстве систем управления составом смеси используется комплект, состоящий из следующих датчиков: атмосферного давления, температуры окружающего воздуха, вакуума во впускном трубопроводе, положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, кислородного анализатора в выпускном трубопроводе. Для обогащения состава смеси на время разгона при переходе на мощностной состав на режимах полных нагрузок или для отключения подачи топлива при торможении двигателем применяется датчик положения дроссельной заслонки, установленный в дроссельном узле.

    Заданная программой  частота вращения коленчатого  вала на холостом ходу поддерживается  при помощи регулятора холостого  хода в байпасном канале, обходящем  дроссельную заслонку. Существует много вариантов регуляторов холостого хода: с клапаном, перемещаемым в осевом направлении шаговым двигателем, с коническим или цилиндрическим шибером, управляемым коллекторным двигателем.

Данные системы обеспечивают также повышение частоты вращения коленчатого вала на режиме прогрева и стабилизацию заданной величины частоты вращения при прогретом двигателе независимо от состава смеси и внутренних потерь двигателя, зависящих от вязкости масла, степени обкатки и др.

Основной проблемой в процессе эксплуатации двигателей с впрыскиванием бензина является очистка топлива от посторонних примесей и, особенно, воды. Во многих странах существуют специальные колонки для заправки автомобилей с впрыскиванием топлива, в которых происходит особо тщательная очистка горючего за счет длительного отстоя и фильтрации, исключающих попадание воды в систему.

    Если в карбюраторных двигателях <водяная> заправка обычно заканчивается промывкой и продувкой системы топливоотдачи и цилиндров, то в двигателях с впрыскиванием бензина последствия могут быть гораздо более серьезными - вплоть до замены двигателя и топливоподающей аппаратуры. Замерзшая в топливном насосе и фильтре вода приводит к разрыву их корпусов. Мелкораспыленная вода, попавшая в цилиндр, конденсируется тонким слоем на поверхности. На двигатель со снятой головкой страшно смотреть - ровный яркий слой ржавчины на зеркале цилиндра и риски от задира, заросшие лохматой бурой "капустой" клапана. Если снять слой ржавчины, то на зеркале цилиндра сразу станут заметны черные пятна от коррозии. Конечно, после попадания воды приходится тщательно промывать всю систему топливоподачи, менять форсунки, элементы фильтра и т.д. Но и это еще полбеды. В некоторых системах впрыскивания при попытке пуска двигателя любыми средствами, например, буксировкой, цилиндр заполняется водой с бензином, возникает гидравлический удар, в результате которого ломаются поршневые кольца и пробивается поршень, лопается цилиндр или гильза.

    Таким образом, исходя из проведённого анализа  считаю, целесообразным применение на проектируемом автомобиле, бензинового двигателя с распределённым впрыском топлива.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Конструкторский  раздел.

2.1 Тягово-динамический  расчёт.

 

  Расчет внешних  скоростных характеристик двигателя (ВСХ)