Красная зона: Пределы оборотов двигателя и факторы, влияющие на них.

Введение

Приведение двигателя внутреннего сгорания к максимальной скорости вращения.

Красная зона (Redline) – это максимальная скорость вращения двигателя, при которой двигатель внутреннего сгорания или тяговый двигатель и его компоненты рассчитаны на работу без риска повреждения самих компонентов или других частей двигателя. Красная зона двигателя зависит от различных факторов, таких как ход поршня, масса компонентов, рабочий объем, состав компонентов и их балансировка. Это слово также используется как глагол, означающий вождение автомобиля со скоростью вращения двигателя выше красной зоны. Сам термин "красная зона" происходит от красных меток на тахометрах автомобилей, которые начинаются с оборотов в минуту, соответствующих красной зоне для данного двигателя. Работа двигателя в этой области называется "работа в красной зоне". Превышение красной зоны обычно не приводит к немедленному выходу двигателя из строя, но может повысить вероятность его повреждения.

Изменение красной линии

Ускорение, или скорость изменения скорости поршня, является ограничивающим фактором. Ускорение поршня прямо пропорционально величине сил G, испытываемых поршневой группой в сборе с шатуном. До тех пор, пока сила G, действующая на поршневую группу в сборе с шатуном, умноженная на их собственную массу, не превышает предел прочности материалов на сжатие и растяжение, из которых они изготовлены, и не выходит за пределы допустимой нагрузки на подшипники, двигатель может безопасно развивать обороты, не подвергаясь физическим или структурным повреждениям. Предельные обороты (redline) варьируются от нескольких сотен оборотов в минуту (в очень больших двигателях, таких как те, что используются в поездах и генераторах) до более чем 10 000 оборотов в минуту (в меньших, как правило, высокопроизводительных двигателях, таких как мотоциклы, некоторые спортивные автомобили и бесшатунные роторные двигатели). Дизельные двигатели обычно имеют более низкие предельные обороты, чем бензиновые двигатели сопоставимого размера, в основном из-за ограничений, связанных с распылением топлива; даже небольшой дизельный двигатель, такой как Yanmar 2GM20, установленный на паруснике, имеет предельную частоту вращения 3400 об/мин в непрерывном режиме и максимальную часовую частоту 3600 об/мин. Бензиновые автомобильные двигатели обычно имеют предельную частоту вращения в диапазоне от 5500 до 7000 об/мин. Gordon Murray Automotive T.50 имеет самые высокие предельные обороты среди серийных автомобилей с поршневым двигателем – 12 100 об/мин. Renesis в Mazda RX-8 имеет самые высокие предельные обороты среди серийных роторных двигателей – 9000 об/мин. В отличие от этого, некоторые старые двигатели с верхним расположением клапанов (OHV, pushrod) имели предельные обороты всего 4800 об/мин, в основном из-за того, что они были спроектированы и построены для обеспечения мощности и экономичности на низких оборотах в период с конца 1960-х до начала 1990-х годов. Одной из основных причин, по которой двигатели OHV имеют более низкие предельные обороты, является "срыв" клапанов (valve float). На высоких оборотах пружина клапана просто не может удерживать толкатель или ролик на кулачке. После открытия клапана пружина клапана не обладает достаточной силой, чтобы опустить массу коромысла, штанги и толкателя на кулачок до следующего цикла сгорания. Двигатели с нижним расположением клапанов (flathead) могут иметь еще более низкие предельные обороты; например, Universal Atomic 4, часто использовавшийся в качестве вспомогательного двигателя на парусниках с 1950-х по 1980-е годы, имеет предельную частоту вращения всего 3500 об/мин. Двигатели с верхним расположением распредвала (OHC) исключают многие компоненты и движущиеся массы, используемые в двигателях OHV. Однако более низкие предельные обороты не обязательно означают низкую производительность. Мотоциклетные двигатели могут иметь еще более высокие предельные обороты благодаря их сравнительно меньшей массе возвращающихся деталей. Например, Honda CBR250RR 1986–1996 годов выпуска имеет предельную частоту вращения около 19 000 об/мин. Еще более высокие предельные обороты были у некоторых автомобилей Формулы-1, где скорость двигателей достигала более 20 000 об/мин на 2,4-литровых двигателях V8 Cosworth и Renault в течение сезона 2006 года.

The acceleration, or rate of change in piston velocity, is the limiting factor. The piston acceleration is directly proportional to the magnitude of the G forces experienced by the piston connecting rod assembly. As long as the G forces acting on the piston connecting rod assembly multiplied by their own mass is less than the compressive and tensile strengths of the materials they are constructed from and as long as it does not exceed the bearing load limits, the engine can safely rev without succumbing to physical or structural failure. Redlines vary anywhere from a few hundred revolutions per minute (rpm) (in very large engines such as those in trains and generators) to more than 10,000 rpm (in smaller, usually high performance engines such as motorcycles, some sports cars, and pistonless rotary engines). Diesel engines normally have lower redlines than comparably sized gasoline engines, largely because of fuel atomization limitations; even a small diesel engine, such as a Yanmar 2GM20 found on a sailboat, has a redline of 3400 RPM continuous, with a maximum 1 hour rating of 3600 RPM. Gasoline automobile engines typically will have a redline at around 5500 to 7000 rpm. The Gordon Murray Automotive T.50 has the highest redline of a piston engine road car rated at 12,100 rpm. The Renesis in the Mazda RX 8 has the highest redline of a production wankel rotary engine road car rated at 9000 rpm. In contrast, some older OHV (pushrod) engines had redlines as low as 4800 rpm, mostly due to the engines being designed and built for low end power and economy during the late 1960s all the way to the early 1990s. One main reason OHV engines have lower redlines is valve float. At high speeds, the valve spring simply cannot keep the tappet or roller on the camshaft. After the valve opens, the valve spring does not have enough force to push the mass of the rocker arm, pushrod, and lifter down on the cam before the next combustion cycle. Flathead engines can have even lower redlines; for example, the Universal Atomic 4, commonly used as auxiliary power on sailboats from the 1950s to the 1980s, has a redline of just 3500 RPM. Overhead cam engines eliminate many of the components and moving mass, used on OHV engines. Lower redlines, however, do not necessarily mean low performance. Motorcycle engines can have even higher redlines because of their comparatively lower reciprocating mass. For example, the 1986–1996 Honda CBR250RR has a redline of about 19,000 rpm. Higher yet have been the redlines of some Formula One cars, with engine speeds reaching over 20,000 rpm on the Cosworth and Renault 2.4 liter V8 engines during the 2006 season.

Ограничитель оборотов и его применение

Большинство современных автомобилей оснащены компьютерными системами, предотвращающими выход двигателя за пределы красной зоны, путем прекращения подачи топлива через топливные форсунки/топливную рампу (в двигателях с непосредственным впрыском) или карбюратор, либо отключения системы зажигания, пока двигатель не снизит обороты до безопасного уровня. Это устройство известно как ограничитель оборотов и обычно устанавливается на значение, соответствующее красной зоне, или на несколько сотен оборотов выше. Большинство электронных блоков управления (ЭБУ) автомобилей с автоматической коробкой передач переключают передачу до достижения двигателем красной зоны, даже при максимальном ускорении (ЭБУ в автоматической коробке передач спортивного автомобиля позволит двигателю приблизиться к красной зоне или достичь ее перед переключением). При ручном переключении двигатель может ненадолго выйти за пределы красной зоны, прежде чем ЭБУ снизит мощность, чтобы вернуть его в безопасный диапазон или автоматически переключить передачу. Когда автомобиль находится на высшей передаче и двигатель работает в красной зоне (из-за высокой скорости), ЭБУ прекращает подачу топлива, заставляя его замедляться, пока обороты не опустятся ниже красной зоны, после чего подача топлива возобновляется, и двигатель снова начинает работать. Однако даже при наличии этих электронных систем защиты автомобиль может выйти в красную зону из-за случайного включения передачи. Если водитель случайно выбирает пониженную передачу при попытке повысить или выбирает передачу ниже, чем предполагалось, при понижении (как в последовательной механической коробке передач мотоцикла), двигатель будет вынужден быстро раскручиваться, чтобы соответствовать скорости трансмиссии. Если это происходит на высоких оборотах, двигатель может значительно превысить красную зону. Например, если водитель едет близко к красной зоне на 3-й передаче и пытается переключиться на 4-ю, но по ошибке ставит 2-ю, трансмиссия будет вращаться намного быстрее, чем двигатель, и при отпускании сцепления обороты двигателя резко возрастут. Это приведет к резкому и заметному торможению двигателем и, вероятно, к его повреждению. Это часто называют "ошибкой переключения" из-за высокой вероятности повреждения двигателя и дорогостоящего ремонта. Выход двигателя в красную зону в дизельном двигателе может быть вызван поступлением топлива из непреднамеренного источника, например, воспламеняющихся паров во всасываемом воздухе или поврежденного масляного сальника в турбокомпрессоре. Это явление известно как "неуправляемый разгон дизельного двигателя", и его можно остановить, перекрыв доступ воздуха или открыв декомпрессионный клапан.

Most modern cars have computer systems that prevent the engine from straying too far into the redline by cutting fuel flow through the fuel injectors/fuel rail (in a direct injected engine)/carburetor or by disabling the ignition system until the engine drops to a safer operating speed. This device is known as a rev limiter and is usually set to an RPM value at redline or a few hundred RPM above. Most Electronic Control Units (ECUs) of automatic transmission cars will upshift before the engine hits the redline even with maximum acceleration (The ECU in a sports car's automatic transmission will allow the engine to go nearer the redline or hit the redline before upshifting). If manual override is used, the engine may go past redline for a brief amount of time before the ECU will cut power to pull it back or auto upshift. When the car is in top gear and the engine is in redline (due to high speed), the ECU will cut fuel to the engine, forcing it to decelerate until the engine begins operating below the redline at which point it will release fuel back to the engine, allowing it to operate once again. However, even with these electronic protection systems, a car is not prevented from redlining through inadvertent gear engagement. If a driver accidentally selects a lower gear when trying to shift up or selects a lower gear than intended while shifting down (as in a motorbike sequential manual transmission), the engine will be forced to rapidly rev up to match the speed of the drivetrain. If this happens while the engine is at high RPMs, it may dramatically exceed the redline. For example, if the operator is driving close to redline in 3rd gear and attempts to shift to 4th gear but unintentionally puts the car in 2nd by mistake, the transmission will be spinning much faster than the engine, and when the clutch is released the engine's rpm will increase rapidly. It will lead to a rough and very noticeable engine braking, and likely engine damage. This is often known as a "money shift" because of the likelihood of engine damage and the expense of fixing the engine. Redlining in a diesel engine can be caused by the engine receiving fuel from an unintended source, such as flammable vapour in the intake air, or a broken oil seal in a turbocharger. This is known as diesel engine runaway, and can be stopped by blocking the air intake, or opening the decompression valve.