Ограничитель оборотов двигателя: принцип работы и защита

Введение

Устройство, устанавливаемое в современных транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания.

Ограничитель оборотов – это устройство, устанавливаемое в современных транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания. Он предназначен для защиты двигателя, ограничивая его максимальную скорость вращения, измеряемую в оборотах в минуту (RPM). Ограничители оборотов предварительно устанавливаются производителем двигателя. Существуют также дополнительные устройства, в которых используется отдельный контроллер с индивидуальной настройкой RPM. Ограничитель предотвращает превышение двигателем автомобиля предела, установленного производителем, известного как "красная зона" (обозначается красной линией на тахометре). При превышении "красной зоны" возможно повреждение двигателя.

Операция

Ограничители обычно работают, отключая компонент, необходимый для процессов сгорания, будь то топливо, воздух или искра. Двигатели с компрессионным зажиганием используют механические регуляторы или ограничители для отключения электронных форсунок топлива. Двигатель с искровым зажиганием также может отключать топливо или прекращать искровое зажигание, а некоторые просто снижают мощность двигателя, изменяя угол опережения зажигания. В случае автоматической коробки передач в режиме "Drive" (движение), обороты двигателя безопасно остаются в пределах диапазона, выбранного коробкой передач. Лишь при превышении номинальных оборотов двигателя в режимах "Park" (парковка), "Neutral" (нейтраль) или "Manual" (ручной) возникает необходимость в ограничителе оборотов. Эти автомобили часто не оснащались тахометром до начала нового тысячелетия. Без этого прибора красная зона не видна, но риск чрезмерных оборотов двигателя при полностью автоматических коробках передач настолько мал, что не вызывает опасений. Однако при механической коробке передач обороты двигателя могут достигать красной зоны на "нейтральной" передаче, при слишком позднем переключении на повышенную передачу или при слишком раннем переключении на пониженную передачу. В случае "нейтральной" передачи или слишком позднего переключения, ограничитель оборотов может легко удерживать обороты двигателя ниже красной зоны. Если механическая коробка передач переключена на пониженную передачу слишком рано, скорость автомобиля приведет к превышению оборотов двигателя. В этом случае ограничитель оборотов снизит мощность двигателя, но не сможет предотвратить выход оборотов двигателя за пределы красной зоны. Возможно, худшая ситуация возникает при "пропуске" передачи. На представленной схеме можно оказаться на высоких оборотах и "пропустить" переключение со 2-й на 3-ю передачу, включив вместо этого 1-ю передачу. Это приведет к превышению красной зоны, и ничто не предотвратит серьезное повреждение двигателя из-за поломки клапанного механизма или шатуна. Как можно быстрее нажав на педаль сцепления, можно избежать повреждения двигателя. Большинство небольших двигателей, например, на газонокосилках, оснащены регулятором скорости. По мере увеличения оборотов двигателя дроссельная заслонка в карбюраторе постепенно закрывается, уменьшая количество топлива и воздуха, поступающего в двигатель, пока обороты двигателя не стабилизируются. Если обороты падают ниже желаемого значения, дроссельная заслонка автоматически открывается, впуская в двигатель больше топливо-воздушной смеси. Регулировка дросселя обычно регулирует натяжение пружины регулятора, что, в свою очередь, позволяет двигателю работать быстрее или медленнее, по желанию. Хотя красная зона не видна на большинстве небольших двигателей из-за отсутствия тахометра, риск чрезмерных оборотов двигателя обычно не вызывает опасений.

Limiters usually work by shutting off a component necessary for the combustion processes to occur, whether it be fuel, air or spark. Compression ignition engines use mechanical governors or limiters to shut off electronic fuel injectors. A spark ignition engine may also shut off fuel or stop the spark ignition and some just reduce the engine's power by changing the spark timing. In the case of an automatic transmission in "drive" mode, the engine RPM stays safely within the range that the transmission chooses. Only when over revving the engine in "park", "neutral" or "manual" modes is there any need for a rev limiter. These vehicles often did not include a tachometer until the turn of the millennium. Without this gauge, the redline cannot be seen but there is so little risk of excessive engine speed with fully automatic transmissions that engine RPM is not a concern. However, with a manual transmission engine RPM can redline in "neutral", or by shifting to a higher gear too late, or by shifting to a lower gear too early. In the case of "neutral" or shifting up too late, a rev limiter can easily keep engine RPM below the redline. If a manual transmission is shifted down too early, the speed of the vehicle will drive the engine over the redline. In this case, a rev limiter will cut engine power but it cannot prevent the engine's RPM from going beyond the redline. Perhaps the worst situation occurs when a shift is "missed". In the diagram shown, it is possible to be at high RPM and "miss" shifting from 2nd to 3rd and get 1st gear instead. This will result in exceeding the redline and there is nothing to prevent an engine from being severely damaged due to valvetrain failure or connecting rod failure. Using the clutch as quickly as possible may avoid engine damage. Most small engines, such as on lawn mowers have a speed governor. As the RPM of the engine increases, the throttle plate in the carburetor is gradually closed, reducing the amount of fuel and air admitted to the engine, until the engine RPM is stable. If RPM drops below the desired value, the throttle plate will automatically open, admitting more fuel/air mix to the engine. Adjusting the throttle generally adjusts spring tension on the governor, which in turn allows the engine to run faster or slower, as desired. While the redline cannot be seen on most small engines, due to their lack of a tachometer, the risk of excessive engine speed is not generally a concern.

Контроль топлива

Ограничители оборотов, работающие за счет отсечки топлива, наиболее распространены в дорожных автомобилях, поскольку меньше изнашивают компоненты выхлопной системы, особенно каталитический нейтрализатор. Эти системы обычно предотвращают превышение максимальных оборотов двигателя, отключая форсунки, и являются единственным практичным решением для дизельных двигателей. Использование таких систем в серийных автомобилях менее распространено, так как они все же впрыскивают топливо в цилиндр, что приводит к выбросу несгоревшего топлива, способного воспламениться в турбокомпрессоре или в выхлопной трубе. Это может повысить температуру выхлопных газов и вызвать преждевременный износ каталитического нейтрализатора. Двигатели Формулы-1, благодаря малому рабочему объему, низкой массе и короткому ходу поршня, могут развивать до 15 000 об/мин, что соответствует правилам Формулы-1. Двигатели с гидравлическими компенсаторами (например, Buick/Rover V8) фактически имеют ограничитель оборотов благодаря своей конструкции. Зазоры в приводе клапанов поддерживаются потоком моторного масла. При высоких оборотах двигателя давление масла возрастает настолько, что компенсаторы "подклинивают", вызывая пропуск клапанов. Это резко снижает мощность двигателя и приводит к падению оборотов.

Использование в гонках

Уровень оборотов двигателя, достигаемый при блокировке момента зажигания, может быть постоянным или, при использовании соответствующих модулей управления зажиганием, переменным. Модули зажигания с регулируемой скоростью позволяют быстро и легко настроить желаемый предел оборотов для различных условий, таких как уличные гонки, соревнования по ускорению, кольцевые гонки и движение по шоссе. Многоступенчатые модули зажигания обеспечивают более точный контроль над пределом оборотов. Первая ступень может использоваться для ограничения оборотов при старте автомобиля с места, обеспечивая максимальную мощность и сцепление с дорогой. Вторая ступень активируется после старта для установки более высокого предела оборотов при полном открытии дроссельной заслонки и ускорении.

Повреждение двигателя за красной линией

Существует значительная разница между производителями в отношении установления красной зоны для их двигателей: от 100 до 12 000 об/мин. Если двигатель превышает допустимую скорость, что обычно называют "перегазовкой", может произойти повреждение поршня и газораспределительного механизма, когда клапан остается открытым дольше положенного. Потеря синхронизации клапанов может привести к потере компрессии, пропуску зажигания или столкновению клапана с поршнем. Также возможно, что двигатель может сломать шатун между коленчатым валом и поршнем. В этом случае двигатель потребуется отремонтировать или полностью заменить.