Размышления про "гаражные мифы"

Просто записи "диванного всезнайки".

Часто приходится видеть такие комментарии, как: езда внатяг — это сильная боковая нагрузка от поршня на стенку цилиндра; езда внатяг — плохая смазка трущихся деталей, потому что недостаточное давление масла на низких оборотах; езда внатяг — плохое охлаждение двигателя, так как слабо циркулирует охлаждающая жидкость.

А так ли это на самом деле? Интуицией чую, что слишком уж преувеличено звучит. Надо как-то разобраться предметно с этой всеобщей точкой зрения, в которую "все" верят.
Пожалуй, для начала можно подумать об утверждении:
"езда внатяг — это сильная боковая нагрузка от поршня на стенку цилиндра".
Звучит как "вредно держать низкие обороты двигателя при движении, потому что стенку цилиндра подерет, ресурс сильно снизится, верно? А как иначе ездить? А иначе — "надо держать высокие обороты всегда". А сколько держать нужно? Ну например 2500, 3000, 3500 об/мин" И что, тогда давление на стенку цилиндра меньше? А вот и оценим, да не голословно, а с расчетами.

В первую очередь надо определиться, что такое езда " внатяг".
Предположим следующее:
а) это равномерная езда примерно на скоростях 40 — 60 (возьмём точку в 50) км/час при оборотах коленчатого вала ~ 1500.
А что такое езда не "внатяг" — всё то же самое кроме количества оборотов двигателя внутреннего сгорания. То есть б) это равномерная езда примерно на скоростях 40 — 60 (берём точку в 50) км/час при оборотах коленчатого вала ~ 2500.
Берём без ускорения оба случая для упрощения оценки. Если угодно, можно добавить ускорение, и там ровным счетом ничего не изменится.
Допустим, мы рассматриваем эдакий автомобиль с атмосферным ДВС (условно цикл Отто) рабочим объемом 1.6 — 2.0 литра. "Атмосферный" ДВС без накруток — это для упрощения понимания процессов.
Для рассмотрения возьмем момент расширения ТВС в камере сгорания, когда поршень уже начал идти вниз под давлением расширяющихся газов и превозмогая сопротивления шатуна, коленвала и так далее. Угол поворота коленвала при этом возьмем до 45гр, сдается мне, именно в этой области состояний всей системы будет наибольшая боковая нагрузка на поршень.
Следующий шаг, "визуализируем".
Как устроен поршневой ДВС в той части, которая преобразует энергию горения ТВС в механическую, вроде бы всем известно.
Вот такая картинка схематически и упрощенно демонстрирует устройство этого механизма:

Теперь концентрируемся на силах, что действуют на поршень и наложим на эту картинку:

Где:
Pг — давление расширяющихся газов в момент движения поршня вниз, в мПа для простоты и общности исчислений.
Pс — силы сопротивления, выраженные как давление в мПа.
Pн — та самая сила давления, направленная на стенку цилиндра. И ее мы будем оценивать тоже в мПа.
y — угол отклонения шатуна от вертикали в градусах, примем равным 15 градусов, постоянная величина в обоих случаях.
q — угол поворота коленвала от положения ВМТ поршня, в градусах, примем для нашей точки рассмотрения = 40 градусов в обоих случаях.
w — угловая скорость коленчатого вала, в рад/с, будем вычислять из кол-ва оборотов коленвала в минуту (1500 — 1 случай, 2500 — второй)
Далее считаем?
Не выйдет. Сначала надо понять, а какие у нас будут переменные, а какие постоянные?
Так как мы рассматриваем только одну точку, через которую проходит поршень, то постоянные величины у нас тут y и q. А остальные, переменные, их нужно задать и понять для начала.
Начнем с Pг.
Так как нас интересуют не абсолютные значения, а относительные, то есть основная задача — сравнить, то будем прикидывать, какое значение может принимать Pг.
Максимально упростим задачу и примем, что в нашем двигателе совершенно одинаково происходит наполнение цилиндров и при 1500 оборотах в минуту, и при 2500 оборотах в минуту (то есть сделаем на этих двух режимах одинаковый коэффициент наполняемости, и отбросим мысли о том, что объемный КПД рассматриваемого цилиндра на низких оборотах хуже чем на оборотах, более близких к пику крутящего момента). Полазим в интернете и найдем примерные значения давления расширяющихся газов на поршень при такте "Рабочий ход". Значения от 3,2 до 5 мПа. Возьмем, что при открытии на 100% ДЗ а равно и при нагрузке 100% (оценочно-расчетный показатель) давление газов = 5мПа на оборотах и 1500 и 2500 об/мин.
Теперь нужно понять, а какая нагрузка в принципе возможна в камере сгорания в условиях 1 случая и 2-го.
Попробовал что то вразумительное нагуглить, но понял, что тут глухо.
Можно было бы вкурить индикаторную диаграмму и тепловой расчет для инжекторного бензинового ДВС, но потом подумал, что это будет уже слишком =).
Поступил от противного, и используя на своем авто CarScanner смоделировал обе ситуации (CVT в мануальном режиме позволил достичь именно заданных условий), включал круиз контроль на ровном (ну почти) прямом участке на 52 км/час и включал режим трансмиссии М5 для 1-го случая и М3 для 2-го.
Итак, условия №1:

условия №2:

на графике вывел показания нагрузки (расчетный показатель), % открытия ДЗ, скорость (и Т ОЖ до кучи, зачем-то).
И что видим?
1 и 2 картинка говорят нам о том, что примерно при 1500 об/мин на скорости 50 км//час мы имеем нагрузку в 55% (это ровный участок) и аж 70% при увеличении нагрузки (была небольшая горочка в момент, когда я сделал скрин). Что же, для более пущей оценки пусть будет 70% для случая первого!
3 и 4 картинка нам говорят, что при движении прямо на скорости 50 км/час и при 2500 об/мин ДЗ нагрузка держится в пределах 41 — 47% (тут горки закончились, интересно, сколько было бы в ту же самую горочку). Возьмем для второго случая показатель нагрузки в 47 также для пущей оценки.
А % открытия ДЗ в обоих случаях ~20% как видим, это очень показательно кстати.
Ну и примем, что для 1-го случая значение Pг будет составлять 70% от 5Мпа, Pг = 3,5 мПа, а для второго случая Pг = 5-5*0,53 = 2,35 мПа.

Следующим шагом поймем, что такое Pc и какие составляющие этой силы.
Итак, первая составляющая сил — это как раз сила сопротивления качения, которое нужно преодолевать двигателю, в частности поршню, шатуну, коленвалу и т.п. и потом трансмиссии. То есть та сила, с которой надо толкать авто, чтобы он равномерно ехал. А значит и та сила противодействия, которая "доходит" до коленвала.
Назовем ее Pt.
Исходя из нормативных максимальных показателей удельной силы давления сопротивления на поршень (нарыл в интернетах, что при оборотах < 4000 значение не должно превышать 1,8 мПА) примем, что Pt при скорости 50 км/час равна например 1 мПа. Просто значение по сути с потолка, но оно у нас будет постоянное на скорости 50 км/час.
Другая оставляющая сил Pс — это, назовем ее Pi — силы инерции и сопротивления деталей КШМ, коленвала, масс маховика, которым поршень (точнее расширяющиеся газы) так же вынужден противостоять. Оценим их только для КШМ, отбросим трансмиссионную "инерцию", ибо скорость одинаковая, инерция примерно одинаковая (как минимум отбросим возрастающие силы инерции входного вала трансмиссии при увеличении оборотов ДВС).
Высчитывается Pi так: Pi = mj * R * wsq*(cosq+k*cos2q) в Н, где
mj — масса частей КШМ, движущихся возвратно поступательно (поршень, палец, шатун, приведенная масса движ. частей коленвала) в кг., постоянная величина, возьмем 6 кг (где-то нарыл для какого-то вазовского ДВС), R — радиус кривошипа, в м. У нас будет неизменная постоянная, возьмем примерно 38 мм = 0,038 м (где то увидел для какого-то вазовского двс);
k — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, постоянная КШМ, возьмем среднее значение "по больнице" в 0,4 (поискал в интернетах, округлил);
(cosq+k*cos2q) = 0,77 + 0,4*0,17 = 0,838, так как cosq = cos(40)=0,77, а cos2(40)=cos2(в квадрате) (40) — sin2(в квадрате) (40) = 0,58 — 0,41 = 0,17;
wsq = w в квадрате (то есть w*w), w = 2pi*n = 2*3,14*(1500/60) = 157, wsq = 24674;
Итак. "Прикидочная" сумма сил, против которых работает поршень (а точнее горящая ТВС, давящая на поршень), двигаясь вниз на оборотах ДВС 1500 и скорости 50 км/ч равна
Pс = Pt(1 мПа)+Pi(6*0,038*24674*0,838) (H) = 1мПа + 4714,3 Н = 1мПа + 4714,3*10(в минус 6) = 1,0047 мПа.

Мы прикинули две силы, действующие на поршень (сила давления газов Pг = 3,2 мПа и силы сопротивления Pc = 1,0047 мПа
Эти две силы нужны нам для вычисления силы давления не стенку. Каким образом? Все просто:
Pн = Ps*tg(y), где Ps = Pг+Pс.
Наконец то можем вычислить прикидочно! (я и все те, кто еще читают это) ту самую заветную силу давления на боковую стенку поршня в самом интересном моменте положения поршня:
Ps = 3,2(мПа)+1,0047(мПа) = 4,204 мПа.
Pн = 4,204*0,268 = 1,13 мПа
Уфф.
А впереди еще расчет сил, которые действуют при движении со скоростью 50 км/ч, 2500 оборотах в мин ДВС и с 47%-тами нагрузки. Но вроде дорожка протоптана, должно пойти легче.
Что у нас изменяется при изменении скорости ДВС?
Ну самое очевидное, это значение угловой скорости коленчатого вала — w.
Второе — значение Pг, мы его уже прикинули и приняли равной 2,35 мПа.
w пересчитаем очень просто: w = 2pi*n = 2*3,14*(2500/60) = 261, wsq = 68539.
Опять считаем Pс = Pi+Pt.
Pi будет составлять: Pi = 6*0,038*68539*0,838 = 13095 Н = 0,013 мПа.
Теперь ищем Pc используя пересчитанную Pi и заданную Pt, получаем:
Pc = 1 (мПа)+0,013 (мПа) = 1,013 мПа.
Дале все готово, чтобы посчитать Pн при скорости 50 км/час и 2500 об/мин:
Pн = Ps*tg(y), где Ps = Pг+Pс.
PS = 2,35 (мПа) + 1,013 (мПа) = 3,363 мПа.
Pн = 3,363 мПа*0,268 = 0,90 мПа

Что мы получили в нашем маленьком мирке с розовыми пони: сила давления на стенку при 1500 = 1,13 мПа, при 2500 = 0,90 мПа. 1,13 — сильная нагрузка на стенку? Наверно. а 0,90 сильная или слабая нагрузка?
Разница в идеальных условиях = 30% (грубо и округленно). Ощутимо? На первый взгляд, да.
Но, основной вопрос, про который забыли: на сколько раз чаще поршень надавит на стенку цилиндра с силой 0.9 мПа при 2500 оборотах, чем с силой 1,13 мПа на оборотах 1500?
По прикидкам: 6,25 раз в секунду при 1500 об/мин и 10,4 раза в секунду при 2500 об/мин. И это я еще вообще не пытался думать о силах, возникающих на потерях трущихся деталей при увеличении скорости движения деталей и подобного.

Выводы:
Интуиция была все же права. Да, на меньших оборотах давление на стенку может быть больше, если мы пытаемся ускоряться или ехать в гору, против ветра по сравнению с движением на бОльших оборотах без ускорения и без ветра (как в моем примере). А в равных условиях наверняка ощутимой разницы и не будет (кому не лень, все формулки привел, можно попрактиковаться), так как в целом всю эту портянку расчетов и раздумий можно было заменить очень короткой и лаконичной фразой: так как нам нужно преодолевать одни и те же силы сопротивления на одной и той же скорости, то значит нам нужно выполнить одну и ту же работу по преодолению этих сил сопротивления, а значит сумма сил, воздействующих на стенку цилиндра будет одинаковой, погрешностью можно пренебречь. Особенно на долгий интервал расчета.
Ну и инженеры производителей автомобилей, в частности двигателестроители/проектировщики трансмиссий не дурачки совсем, и поумнее всяких диванных "экспертов", коими мы по сути своей являемся.

PS: немаленькое вышло эссе. Над выражениями "езда внатяг — плохая смазка трущихся деталей, потому что недостаточное давление масла на низких оборотах; езда внатяг — плохое охлаждение двигателя, так как слабо циркулирует охлаждающая жидкость. " поразмышляю уже как-нибудь в другой раз.
PS: не исключаю, что в каком-то месте где-то мог ошибиться с цифрами или допустил неточности (например мПа — все таки мега Паскаль), все мы люди-человеки. Но вроде бы все проверял.