Якщо запитати автовласника, що таке холості оберти двигуна, він напевно відповість, що це режим, в якому двигун працює без навантаження, і буде цілком правий. Багато хто навіть може точно назвати правильну величину оборотів для їх автомобілів. Але чому ці обороти саме такі? Чому не більше, не менше, чому вони змінюються, як і для чого підтримуються? Сьогодні ми спробуємо в цьому розібратися.
Перші двигуни
У перших двигунах не існувало навіть самого поняття холостих обертів. Частота робочих і холостих обертів практично збігалася, а робочий діапазон двигуна був украй малий (приблизно всього від 250 до 450 оборотів в хвилину). Ну а куди діватися: менше не можна, вище не крутиться. “Фітильні” карбюратори мали дуже невеликий робочий діапазон і при малому потоці суміші сильно переливали. Фактично їх налаштовували лише на робочі обороти.
Ситуація змінилася приблизно до 1915 року. Поява на Packard Twin Six справжнього карбюратора з жиклерами і управління випередженням запалювання дозволило вирішити два завдання. По-перше, значно збільшити потужність, збільшивши робочі обороти до 3000 в хвилину, а по-друге, знизити усталені звороти за рахунок введення спеціальної системи сумішоутворення на малих обертах. Іншими словами, системи холостого ходу.
Все більш пізні конструкції карбюраторів вже передбачали регулювання і настройку сумішоутворення на холостих обертах, часто використовуючи для цього режиму окремі дозуючі системи. Звичайно, екологія і навіть ресурс для тих конструкцій не були визначальними факторами, але двигуни просто не могли працювати на оборотах нижче тих, на яких міг створювати суміш карбюратор. Але потім система стала значно складнішою.
Навіщо потрібні холості оберти?
Поки мотор заглушений, ніякого крутного моменту він, зрозуміло, не створює. Але і при працюючому двигуні потужність зростає виключно з ростом оборотів, а крутний момент має пік в області середніх або високих обертів.
Щоб навантажити мотор корисним навантаженням, потрібно, щоб він уже стійко крутився і був готовий створювати крутний момент. Інакше він просто заглохне.
Навантажити ДВС можна тільки якщо він вже працює на стійких і достатніх для сприйняття навантаження оборотах. Ніяких способів обійти це обмеження немає. Можна тільки уникнути цієї проблеми, використовуючи додатковий двигун, який буде працювати замість ДВС до досягнення тим робочих оборотів. Наприклад, таку функцію виконує електромотор на гібридах або пневматичний стартер з надлишковою потужністю.
Всі обороти вище холостих – робочі. Нижче починається зона пускових оборотів, на яких двигун не переносить навантаження з тих чи інших причин. Для більшості двигунів легкових автомобілів холості оберти складають 500-900 оборотів в хвилину, що не так уже й мало. У разі використання АКПП можна трохи схитрувати і встановити холості оберти без навантаження з боку трансмісії нижче, підвищуючи їх тільки при включенні режиму «Drive» в коробці.
Чому холості оберти не постійні?
При різних системах живлення причини зміни холостих обертів різні. На ДВС з простими нерегульованими карбюраторами обороти залежать від навантаження і сумішоутворення. Якщо спрацьовують автомати збільшення оборотів, то з ростом навантаження обороти будуть падати. Те ж саме відбудеться через погане сумішоутворення, але цього намагаються уникнути, застосовуючи різні системи холодного запуску, які завищують обороти для забезпечення стійкої роботи двигуна.
Чим досконаліша система живлення, тим менш помітні коливання. З простим карбюратором водій сам регулює холості оберти. Його втручання потрібне, якщо температура двигуна або навантаження на нього відрізняються від виставлених при регулюванні холостих обертів. З електронним карбюратором з автоматом холодного запуску водій вже нічого не регулює, але обороти помітно підвищуються для забезпечення стійкої роботи до прогріву.
Системи упорскування хіба що дозволять трохи завищити холості оберти до прогріву лямбда-сенсорів і втримають їх трохи підвищеними до нормалізації сумішоутворення на 100-1000 оборотів в хвилину. І ще вони можуть трохи збільшити обороти при збільшенні навантаження з боку системи кондиціонування або навантаження від генератора.
На жаль, всі способи регулювання не ідеальні. Регулятори і дросельні заслінки з електроприводом з часом забруднюються, не всі свічки і форсунки працюють ідеально, системи EGR пропускають гази, дають збій системи регулювання фаз, а у циліндрів може бути різна компресія, тому в реальному житті на старих машинах обороти все ж трохи гуляють.
Чому холості оберти саме такі?
Вибір холостих обертів – це завжди компроміс. Збільшувати їх – значить збільшувати витрати палива і тепловіддачу двигуна без навантаження, що, очевидно, є поганою ідеєю і для цивільної машини не годиться. Зниження ж призводить відразу до декількох неприємних наслідків.
По-перше, порушується робота утворення суміші. Процеси в ДВС динамічні, і вся його конструкція розрахована на робочі обороти. При зниженні частоти обертання погіршується очищення циліндрів від відпрацьованих газів, утруднюється наповнення циліндрів свіжою сумішшю, ростуть втрати на перепуск, а значить, падає і потужність.
Може, таке заниження ХХ зробить мотор хоча б екологічнішим? Теж ні. Скоріше навпаки. Навіть якщо двигун зберігає можливість сприйняття навантаження на оборотах менше холостих, його робочий процес буде далекий від розрахункового. Наприклад, на оборотах менше 400-500 часто навіть катколектори перестають прогріватися до робочої температури, а кількість пропусків запалювання зростає.
Серйозною проблемою є зниження тиску масла і обсягу його подачі. Тут все просто: менше обертів – нижчий тиск. При якомусь мінімумі тиску підшипники ковзання виходять з режиму рідинного тертя, і ресурс двигуна стрімко зменшується. І чим вище навантаження, тим вищий повинен бути тиск, а значить, і обороти мотора.
Навантаження на двигун вже на холостих обертах може бути значною (особливо з МКПП). Автоматичні коробки передач здатні запобігти неприємності, але проблеми повністю не вирішують, хоча значно збільшують ресурс ДВС в цілому. В результаті тиск масла на холостих обертах має бути вже достатнім для сприйняття повного навантаження на мотор. На жаль, чим вище тиск і продуктивність маслонасоса на холостих обертах, тим більше надлишок тиску на робочих. А значить більша витрата палива, менший ресурс масла. Регульований маслонасос дозволяє трохи поліпшити ситуацію, але в основному все ж служить для компенсації надлишкового зниження тиску масла після прогріву двигуна, а не для зниження оборотів холостого ходу.
На машинах з автоматичною коробкою передач потрібно враховувати і її побажання. Адже маслонасос АКПП наводиться від колінчастого вала двигуна, а значить і робота коробки передач залежить від оборотів холостого ходу. При дуже малих обертах тиску не вистачить на коректну роботу механіко-гідравлічної системи управління. А для систем старт-стоп доводиться встановлювати гідроакумулятори і додаткові електронасоси. Це дозволяє гідравліці включатися в роботу відразу при запуску двигуна, а не через п’ять-десять секунд.
Привід різного навісного устаткування теж створює складності. Генератор, насоси ГУРа і кондиціонера і помпа системи охолодження мають обмежений робочий діапазон, тому передавальне відношення системи приводу додаткових агрегатів підбирають з урахуванням максимальних обертів двигуна. А мінімальні обороти кожного з пристроїв і навантаження на підсистеми машини обмежують нижнє значення холостих обертів. Занадто велике зниження оборотів може привести до перегріву багатоциліндрових моторів через порушення циркуляції рідини, до розряду акумулятора або непрацездатності системи кондиціонування. Правда, ці проблеми теж можна вирішити.
Тут виручає перехід на електроприводи підсилювача керма, насосів системи охолодження і кондиціонера і установка регульованого приводу помпи. На щастя, генератори мають дуже великий робочий діапазон і не втрачають ККД при високих оборотах. Але і тут є недоліки. Найчастіше вони тягнуть за собою зайві витрати, а часто – і зниження ККД систем за рахунок подвійного перетворення енергії.
Вібрація двигуна при зниженні оборотів в основному пов’язані з нестійкістю робочого процесу, але є у неї і кілька інших причин. Наприклад, система підвіски ДВС вміє гасити коливання тільки в певному діапазоні частот. І чим нижчі обороти, тим складніше гасити виникаючі вібрації. Причому крім вібрацій, що передаються на кузов і впливають на комфорт водія і пасажирів, існує ще така річ як крутильні коливання, які руйнівно діють на трансмісію і колеса.
Чим нижчі обороти двигуна, тим складніше їх гасити. Доводиться або використовувати неблокуючі гідротрансформатори або двохмасові маховики, або поєднання двох технологій одночасно. Підвищення оборотів холостого ходу дозволяє знизити коливання моменту при кожному оберті, відсунути частоти всіх коливань далі від резонансних і зробити роботу всіх систем гасіння вібрацій ефективнішими.
Джерело: https://www.kolesa.ru/article/gulyat-zapreshheno-chto-takoe-holostye-oboroty-i-ot-chego-oni-zavisyat
