Довгохідні та короткохідні мотори – у чому різниця, і які краще? Вплив діаметра циліндра та ходу поршня на ефективний ккд двигуна внутрішнього згоряння

Об'єм камери згоряння певною мірою вказує на кількість теплоти, що вводиться. Теплотворна здатність заряду, що надходить, в бензиновому двигуні визначена співвідношенням повітря і палива, близьким до стехіометричного. У дизель подається чисте повітря, а подача палива обмежена ступенем неповноти згоряння, при якій у газах, що відпрацювали, з'являється дим. Тому зв'язок кількості теплоти, що вводиться, з об'ємом камери згоряння досить очевидна.

Найменше відношення поверхні до заданого обсягу має сфера. Тепло в навколишній простір відводиться поверхнею, тому маса, що має форму кулі, охолоджується найменшою мірою. Ці очевидні співвідношення враховуються під час проектування камери згоряння. Слід, однак, мати на увазі геометричну подобу деталей двигунів різних розмірів. Як відомо, обсяг сфери дорівнює 4/3∙π∙R 3 , а її поверхня - 4∙π∙R 2 , і, таким чином, обсяг із зростанням діаметра збільшується швидше, ніж поверхня, і, отже, сфера більшого діаметра матиме меншу величину відношення поверхні до обсягу. Якщо поверхні сфери різного діаметра мають однакові перепади температур і однакові коефіцієнти тепловіддачі α, то більша сфера охолоджуватиметься повільніше.

Двигуни геометрично подібні, коли мають однакову конструкцію, але відрізняються розмірами. Якщо перший двигун має діаметр циліндра, наприклад, рівний одиниці, а у другого двигуна він у 2 рази більший, то всі лінійні розміри другого двигуна будуть у 2 рази, поверхні – у 4 рази, а об'єми – у 8 разів більше, ніж у першого двигуна. Повного геометричного подібності досягти, однак, не вдається, так як розміри, наприклад, свічок запалювання та паливних форсунокоднакові у двигунів з різними розмірамидіаметра циліндра.

З геометричної подібності можна зробити висновок, що більший за розмірами циліндр має і більш прийнятне відношення поверхні до обсягу, тому його теплові втрати при охолодженні поверхні в однакових умовах будуть меншими.

При визначенні потужності потрібно, однак, враховувати деякі фактори, що обмежують. Потужність двигуна залежить як від розмірів, т. е. обсягу циліндрів двигуна, а й від частоти його обертання, і навіть середнього ефективного тиску. Частота обертання двигуна обмежена максимальною середньою швидкістю поршня, масою та досконалістю конструкції кривошипно-шатунного механізму. Максимальні середні швидкості поршня бензинових двигунів лежать у межах 10-22 м/с. У двигунів легкових автомобілівмаксимальне значення середньої швидкості поршня досягає 15 м/с, а значення величини середнього ефективного тиску при повному навантаженніблизькі до 1 МПа.

Робочий обсяг двигуна та його розміри визначають як геометричні чинники. Наприклад, товщина стінок задана технологією, а не навантаженням на них. Теплопередача через стінки залежить не від їхньої товщини, а від теплопровідності їхнього матеріалу, коефіцієнтів тепловіддачі на поверхнях стінок, перепаду температур і т.д. т. д. Деякі висновки щодо впливу геометричних розмірів циліндрів, тим не менш, необхідно зробити.

Переваги та недоліки циліндра з великим робочим об'ємом

Циліндр більшого робочого об'єму має менші відносні втрати теплоти стінки. Це добре підтверджується прикладами стаціонарних дизелів із великими робочими об'ємами циліндрів, які мають дуже низькі питомі витрати палива. Щодо легкових автомобілів це становище, проте, підтверджується не завжди.

Аналіз рівняння потужності двигуна показує, що найбільша потужність двигуна може бути досягнута за невеликої величини ходу поршня.

Середня швидкість поршня може бути розрахована як

C п = S∙n/30 (м/с),

де S – хід поршня, м; n – частота обертання, хв -1 .

При обмеженні середньої швидкості поршня Cп частота обертання може бути тим вищою, чим менше хід поршня. Рівняння потужності чотиритактного двигуна має вигляд

N e = V h ∙ p e ∙n/120 (кВт),

де V h - об'єм двигуна, дм 3; n - частота обертання, хв -1; p e - Середній ефективний тиск, МПа.

Отже, потужність двигуна прямо пропорційна частоті його обертання та робочому об'єму. Тим самим до двигуна одночасно висуваються протилежні вимоги - великий робочий об'єм циліндра і короткий хід. Компромісне рішення полягає у застосуванні більшої кількості циліндрів.

Найбільш переважний робочий об'єм одного високообертового циліндра бензинового двигунаскладає 300-500 см 3 . Двигун з малим числом таких циліндрів погано врівноважений, а з великим - має значні механічні втрати і має тому підвищені питомі витрати палива. Восьмициліндровий двигун робочим об'ємом 3000 см 3 має меншу питому витрату палива, ніж дванадцятициліндровий з таким же робочим об'ємом.

Для досягнення малої витрати палива доцільно застосовувати двигуни з малою кількістю циліндрів. Однак одноциліндровий двигун з великим робочим об'ємом не знаходить застосування в автомобілях, оскільки його відносна маса велика, а врівноваження можливе лише при використанні спеціальних механізмів, що веде до додаткового збільшення маси, розмірів і вартості. Крім того, велика нерівномірність моменту крутного одноциліндрового двигуна неприйнятна для трансмісій автомобіля.

Найменша кількість циліндрів у сучасного автомобільного двигунаодно двом. Такі двигуни успішно застосовують в автомобілях особливо малого класу («Сітроен 2CV», «Фіат 126»). Сточки зору врівноваженості, наступним у ряді доцільного застосування стоїть чотирициліндровий двигун, проте в даний час починають застосовувати і трициліндрові двигуни з невеликим робочим об'ємом циліндрів, оскільки вони дозволяють отримати малі витрати палива. Крім того, менше циліндрів спрощує і здешевлює, так як скорочується число свічок запалювання, форсунок, плунжерних пар. паливного насосависокого тиску. При поперечному розташуванні в автомобілі такий двигун має меншу довжину і не обмежує поворот керованих коліс.

Трициліндровий двигун дозволяє використовувати уніфіковані з чотирициліндровим основні деталі: гільзу циліндра, поршневий комплект, шатунний комплект, клапанний механізм. Таке ж рішення можливе і для п'ятициліндрового двигуна, що дозволяє при необхідності збільшення потужності ряду вгору від базового чотирициліндрового двигуна уникнути переходу на більш довгий шестициліндровий.

У дизелях крім зменшення втрат теплоти при згорянні великий робочий об'ємом циліндра дає можливість отримати компактнішу камеру згоряння, в якій при помірних ступенях стиску створюються більш високі температури до моменту впорскування палива. У циліндра з великим робочим об'ємом можна використовувати форсунки з великим числом соплових отворів, що мають меншу чутливість до нагароутворення.

Відношення ходу поршня до діаметра циліндра

Приватне від розподілу величини ходу поршня S на величину діаметра циліндра D є широко вживаним значенням відношення S/D . Позиція на величину ходу поршня протягом розвитку двигунобудування змінювалася.

На початковому етапі автомобільного двигунобудування діяла так звана податкова формула, на основі якої податок на потужність двигуна, що стягується, розраховувався з урахуванням числа і діаметра D його циліндрів. Класифікація двигунів здійснювалася також відповідно до цієї формули. Тому віддавалася перевага двигунам з великою величиною ходу поршня для того, щоб збільшити потужність двигуна в рамках даної податкової категорії. Потужність двигуна зростала, але збільшення частоти обертання було обмежено допустимою середньою швидкістю поршня. Оскільки механізм газорозподілу двигуна в цей період не був розрахований на високу оборотність, обмеження частоти обертання швидкістю поршня не мало значення.

Як тільки описана податкова формула була скасована, і класифікація двигунів стада проводиться відповідно до робочого об'єму циліндра, хід поршня почав різко зменшуватися, що дозволило збільшити частоту обертання і, тим самим, потужність двигуна. У циліндрах більшого діаметра стало можливим застосування клапанів великих розмірів. Тому були створені короткохідні двигуни з відношенням S/D, що досягає 0,5. Удосконалення механізму газорозподілу, особливо під час використання чотирьох клапанів у циліндрі, дозволило довести номінальну частоту обертання двигуна до 10000 хв -1 і більше, унаслідок чого питома потужність швидко зросла.

В даний час велика увага приділяється зменшенню витрати палива. Проведені з цією метою дослідження впливу S/D показали, що короткохідні двигуни мають підвищену питому витрату палива. Це викликано великою поверхнею камери згоряння, а також зниженням із-за відносно великої величини деталей шатунно-поршневого комплекту, що поступально рухаються, і зростання втрат на приводи допоміжного обладнання. При дуже короткому ході потрібно подовжувати шатун для того, щоб нижня частина спідниці поршня не зачіпала противагу колінчастого валу. Маса поршня при зменшенні його ходу мало зменшилася при використанні виїмок і вирізів на спідниці поршня. Для зниження викиду токсичних речовин у газах, що відпрацювали, доцільніше застосовувати двигуни з компактною камерою згоряння і з більш довгим ходом поршня. Тому на даний час від двигунів з дуже низьким ставленням S/D відмовляються.

Залежність середнього ефективного тиску від відношення S/D у кращих двигунів гоночних, де чітко видно зниження p e при малих відносинах S/D , наведена на рис. 1. В даний час вигіднішим вважається відношення S/D , рівне або дещо більше одиниці. Хоча при короткому ході поршня відношення поверхні циліндра до його робочого об'єму при положенні поршня в НМТ менше, ніж у довгохідних двигунів, нижня зона циліндра не така важлива для відведення теплоти, оскільки температура газів вже помітно падає.

Довгохідний двигун має більш вигідне відношення поверхні, що охолоджується, до об'єму камери згоряння при положенні поршня в ВМТ, що більш важливо, так як в цей період циклу температура газів, що визначає втрати теплоти, найбільш висока. Скорочення поверхні тепловіддачі у цій фазі процесу розширення зменшує теплові втрати та покращує індикаторний ККД двигуна.

З ознайомлювальною метою. Запис розглядає лише діаметр та хід поршня. Для розуміння, що таке робочий об'єм. Тут у розрахунок не беруться інші технічні та інженерні рішення геометрії та будови всього двигуна загалом!
____________________

Відношення ходу поршня до діаметра циліндра (приватне від розподілу величини ходу поршня S на величину діаметра циліндра D являє собою широко вживане значення відношення S/D) є одним з основних параметрів, що визначають розміри та масу двигуна.

Для простоти та умовної точки відліку ми скористаємося конструкцією двигуна, в якій діаметр циліндра дорівнює ходу поршня. Назвемо таку конструкцію "квадратною". Якщо збільшити хід і зменшити діаметр до отримання заданого об'єму двигуна, то отримана схема називатиметься "довгохідною", в той час як в іншому граничному варіанті може використовуватися великий діаметр в комбінації з невеликим ходом для отримання так званої "короткохідної" схеми двигуна.

Короткий перебіг.Короткий хід поршня використовується у потужних високонавантажених двигунах. Відношення ходу поршня до діаметра циліндра дорівнює менше 1, тобто значення довжини ходу поршня менше діаметра циліндра.

Довгий хід.Довгий хід поршня застосовується для досягнення високого моменту, що крутить. Відношення ходу поршня до діаметра циліндра дорівнює більше 1, тобто значення довжини ходу поршня більше діаметра циліндра.

Хід поршня та діаметр циліндра рівні. Відношення ходу поршня до діаметра циліндра дорівнює 1, тобто значення довжини ходу поршня дорівнює діаметру циліндра.

В даний час велика увага приділяється зменшенню витрати палива. Проведені з цією метою дослідження впливу S/D показали, що короткохідні двигуни мають підвищену питому витрату палива. Це викликано великою поверхнею камери згоряння, а також зниженням механічного ККД двигуна через відносно великий величини деталей шатунно-поршневого комплекту і зростання втрат на приводи допоміжного обладнання. При дуже короткому ході потрібно подовжувати шатун для того, щоб нижня частина спідниці поршня не зачіпала противагу колінчастого валу. Маса поршня при зменшенні його ходу мало зменшилася при використанні виїмок і вирізів на спідниці поршня. Для зниження викиду токсичних речовин у газах, що відпрацювали, доцільніше застосовувати двигуни з компактною камерою згоряння і з більш довгим ходом поршня. Тому нині від двигунів із дуже низьким ставленням S/D відмовляються.

В даний час вигіднішим вважається відношення S/D, рівне або дещо більше одиниці. Хоча при короткому ході поршня відношення поверхні циліндра до його робочого обсягу при положенні поршня в НМТ менше, ніж у довгохідних двигунів, нижня зона циліндра не така важлива для відведення теплоти, оскільки температура газів вже помітно падає.

Довгохідний двигун має більш вигідне відношення поверхні, що охолоджується, до об'єму камери згоряння при положенні поршня в ВМТ, що більш важливо, так як в цей період циклу температура газів, що визначає втрати теплоти, найбільш висока. Скорочення поверхні тепловіддачі у цій фазі процесу розширення зменшує теплові втрати та покращує індикаторний ККД двигуна.

Тут V- Позначає робочий об'єм двигуна, S- величину ходу поршня, D- Діаметр циліндра, z– кількість циліндрів.

Для чотирициліндрових моторів формула спрощується до:

Якщо дані для розрахунку беруться в міліметрах, то результат розрахунку за формулою буде виміряться в кубічних міліметрах. Тому для приведення до звичного значення в кубічних сантиметрах необхідно розділити отриманий результат на 1000.
________________
Приклад на Жигулівському класичному моторі об'ємом 1600:
Діаметр поршня (з заводу не ремонтний розмір) = 79 мм.
Хід поршня (колінвал 2103/21213) = 80 мм.
Мотор 4-циліндровий
П = 3,14

V = 80 x 3.14 x (79 * 79) = 80 x 3.14 x 6241 = 1567739.2

Перекладаємо в кубічні сантиметри,

V = 1567739.2/1000

(можна округлити як і робить завод)

1. Мікрометром або штангенциркулем виміряти не менше 7 разів (в різних місцяхта напрямках) діаметр циліндра (рис. 1.2). Результати записати у табл. 1.1.

2. Обчислити середнє значення діаметра

=

де n - Число вимірювань, i - Номер виміру.

3. Обчислити D d i = (d i - ), D d i 2 і .

Таблиця 1.1

4. Задавшись надійністю a(Від 0,90 до 0,97), по таблиці вибрати коефіцієнти Стьюдента t a,n і t a, ¥ .

5. Визначити приладову похибку D d пр . Для мікрометра D d пр = D/2 (D- ціна поділу мікрометра, що дорівнює зазвичай 0,01 мм). Для штангенциркуля D d пр = D , D- "Ціна" поділу ноніуса.

6. Обчислити абсолютну помилку (напівширину довірчого інтервалу) у визначенні діаметра циліндра:

7. Обчислити відносну похибку e d = D d/ .

Визначення висоти циліндра

Усі виміри та обчислення, виконані при визначенні діаметра циліндра, повторити при тій же надійності a для висоти циліндра h . Результати записати у табл. 1.1.

Визначення об'єму циліндра

1. Обчислити середнє значення об'єму циліндра

= p/4 2 .

2. Обчислити відносну похибку визначення обсягу

Де e p = Dp/p.

3. Обчислити напівширину довірчого інтервалу

D V = e v .

4. Результати записати у вигляді

V = ±D V, e v =…%, при a = . . . .

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА В'ЯЗКІ РІДИНИ МЕТОДОМ СТОКСУ

Мета роботи: виміряти коефіцієнт в'язкості.

Прилади та приладдяКабіна: скляний циліндр з досліджуваною рідиною, металеві кульки, мікрометр, секундомір, міліметрова лінійка.

Короткі теоретичні відомості

При русі рідини між її сусідніми шарами, що рухаються з різними швидкостями, виникають сили внутрішнього тертя,діють таким чином, щоб зрівняти швидкості всіх шарів. Виникнення цих сил пояснюється тим, що шари, що рухаються із різними швидкостями, обмінюються молекулами. Молекули з більш швидкого шару передають повільнішому шару деяку кількість руху (імпульс), внаслідок чого він починає рухатися швидше. Молекули з повільнішого шару отримують у швидкому шарі деяку кількість руху, що призводить до гальмування швидкого шару. При перенесенні імпульсу від шару до шару відбувається зміна імпульсу всіх шарів. Це означає що на кожен із шарів діє сила,дорівнює зміні імпульсу в одиницю часу (другий закон Ньютона).

Розглянемо рідину, що рухається у напрямку осі х (Рис. 2.1). Нехай на відстані dz швидкості потоку відрізняються на величину dv . Ставлення dv/dz характеризує зміну швидкості потоку у напрямку осі z і називається градієнтомшвидкості. Таким чином, градієнт швидкості чисельно дорівнює зміні швидкості на одиниці довжини в напрямку, перпендикулярному до швидкості.

Відповідно до закону Ньютона, сила внутрішнього тертя (в'язкості), що діє між двома шарами, пропорційна площі їхнього дотику. D S та градієнту швидкості:

Величина h(“ця”) називається коефіцієнтом внутрішнього тертячи коефіцієнтом динамічної в'язкості. Якщо у формулі (2.1) покласти чисельно dv/dz = 1 та D S = 1, то F = h , тобто. коефіцієнт динамічної в'язкості чисельно дорівнює силівнутрішнього тертя, що виникає на кожній одиниці поверхні зіткнення двох шарів, що рухаються відносно один одного з градієнтом швидкості, що дорівнює одиниці.У системі СІ одиниця виміру [ h] = кг/(м×с) = Па×с.

Коефіцієнт в'язкості hзалежить від природи рідини та для даної рідини з підвищенням температури зменшується.

Силами внутрішнього тертя в рідині обумовлено опір, який відчуває тверде тіло під час руху щодо рідини. Аналітичне розв'язання задачі знаходження сили опору є дуже складним. Подібне завдання було вирішено англійським фізиком Стоксомлише для випадку дуже повільного руху кульки у безмежному обсязі рідини. Сила в'язкого тертяу цьому випадку дорівнювала такій величині:

F = 6p h r v , (2.2)

тут r - радіус кульки; v - його швидкість щодо частини рідини, яка перебуває у спокої.

Метод Стокса

Формула Стокса (2.2) дозволяє визначити коефіцієнт в'язкості hякщо відомі інші величини. Метод визначення коефіцієнта в'язкості за допомогою рівняння (2.2) називається методом Стоксу.

Розглянемо падіння кульки у в'язкій рідині. При русі кульки шар рідини, що межує з його поверхнею, прилипає до кульки і рухається зі швидкістю кульки, тому різні шари відрізняються за швидкістю, і виникає сила в'язкого тертя.

На кульку, що падає у в'язкій рідині, діють три сили (рис.2.2):

1)сила тяжіння F 1 = mg = r Vg;

2)сила Архімеда F 2 = r ж Vg (Рівна вазі рідини в обсязі кульки);

3) сила в'язкого тертяобумовлена ​​в'язкістю рідини F 3 = 6ph rv .

Тут r- Щільність матеріалу кульки; r ж - Щільність рідини; V - Об'єм кульки; g - прискорення вільного падіння. Усі три сили спрямовані по вертикалі: F 1 - вниз, F 2 і F 3 - Вгору.

У загальному випадку рівняння руху кульки має вигляд

F 1 - F 2 - F 3 = m dv/dt. (2.3)

Оскільки сила в'язкого тертя, що діє на кульку, залежить від швидкості, то прискорення dv/dt зменшується до тих пір, поки кулька не досягла такої швидкості v 0 , При якій прискорення дорівнює нулю. Тоді рівняння (2.3) набуде вигляду:

(r - r ж) Vg - 6ph r v 0 = 0.(2.4)

У цьому випадку кулька рухається з постійною швидкістю v 0 .

Вирішуючи рівняння (2.4) щодо h , отримаємо

Якщо тепер врахувати, що V = 4/3p r 3 , r = d/ 2, v 0 = l/t , де d - Діаметр кульки; l - Довжина ділянки рівномірного руху, пройденого за час t , то формула (2.5) набуде остаточного вигляду:

Таким чином, для знаходження hпотрібно виміряти d, l і t.

Опис установки

Довгий скляний циліндр, наповнений досліджуваною рідиною, має дві горизонтальні мітки: А і У розташовані на відстані l один від одного. Мітка А встановлена ​​так, що при проходженні через неї кульки вже мають постійну швидкість v 0 (Див. рис.2.2).

Діаметр циліндра визначимо за формулою (45):

Приймаємо = 1,05. Тоді

D = = 0,82 дм.

Хід поршня знаходимо за формулою (46):

S = 0,82*1,05 = 0,86 дм.

Попередньо приймаємо D = 82 мм та S = 86 мм.

Визначимо середню швидкість поршня за формулою (47):

W сп = S * n/30; (47)

W сп = 0,086 * 5600/30 = 16,05 м / с.

* 100% = 0,93 % < 3 %.

Відхилення швидкості поршня у допустимих межах. Остаточно приймаємо s = 86 мм та d = 82 мм.

Робочий об'єм циліндра визначимо за формулою (48):

V h = * S; (48)

Vh = * 0,86 = 0,454 дм3.

Літраж двигуна знаходимо за формулою (49):

iV h = 4 * V h; (49)

IVh = 4 * 0,454 = 1,820 л.

Номінальну потужність визначимо за формулою (50):

N e max =; (50)

N e max = = 64,0 кВm.

Літрову потужність знаходимо за формулою (51):

N ел = N e max / iV h; (51)

N ел = 64,0 / 1,820 = 35,2 кВm/дм 3 .

Годинну витрату палива визначимо за формулою (52):

G т = N e max / g e; (52)

G т = 64,0 * 326,1/1000 = 20,87 кг/год.

Ефективний момент, що крутить, знаходимо за формулою (53):

M eN = = 109,14 Н * м.

1. Побудова індикаторної діаграми.

Індикаторна діаграма – графічна залежність тиску газу в циліндрі від надпоршневого об'єму (переміщення поршня або кута повороту колінчастого валу). Індикаторна діаграма будується із використанням результатів теплового розрахунку.

Об'єм камери згоряння визначимо за формулою (54):

V c = V h / (ε-1) (54)

Повний обсяг циліндра визначимо за формулою (55):

V a = V h +V c (55)

Знаходимо V c і V a за формулами (54) та (55):

Vc = 0,454/(8,5-1) = 0,061 дм3

Va = 0,454 +0,061 = 0,515 дм3.

Приймаємо висоту та ширину діаграми: H=120 мм; B = 60 мм.

На початку побудови осі абсцис відкладають відрізок АВ, відповідний робочому об'єму циліндра V h , тобто. за величиною, що дорівнює ходу поршня S у масштабі M s = S/AB, залежно від S масштаб прийняти 1:1, 1,5:1 або 2:1. Рекомендується при S ≥ 80 мм M s = 1 мм S/мм креслення.

При цьому довжина відрізка AB = S/MS має увійти в рекомендований діапазон 70...100 мм. Відрізок ОА, мм, відповідний обсягу камери згоряння V c визначається з співвідношення ОА = АВ / (ε -1). Відрізок, відповідний повному об'єму циліндра ОВ мм визначається за формулою: ОВ = OA+ AB.При побудові діаграми використовують наступний ряд масштабів тисків: M p = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05;

0,025 МПа/мм, при p z ≥ 5 МПа – M p = 0,05 МПа/мм.

Визначимо масштабний коефіцієнт за формулою (56):

p = p zp /H; (56)

p = 5,1574/120 = 0,043 МПа/мм.

Найближчий кратний масштаб: m p = 0,04.

Визначимо масштаб обсягів за формулою (57):

m v = V a / H; (57)

m v = 0,515/120 = 0,0043 дм3/мм.

Найближчий кратний масштаб: v = 0,004.

За даними теплового розрахунку на діаграмі відкладають у вибраному масштабі величини тисків у характерних точках: a,c, zp, z,b,r діаграми, а так само тиск p0.

Побудова політроп стиснення та розширення можна проводити графічним чи аналітичним методами. Тиск для побудови політропа обчислюємо за рівняннями в 8-10 точках за формулами:

Стиснення P x = P a * () n 1 розширення P xp = P b * () n 2 .

Результати заносимо до таблиці 1.

Таблиця 1. Результати розрахунків тиску політроп

Будуємо теоретичну індикаторну діаграму. Для отримання реальної індикаторної діаграми. Теоретична та реальна індикаторні діаграми представлені на рисунках 1 та 2:

1. Теоретична індикаторна діаграма.

2. Реальна індикаторна діаграма.

Визнайте, що ви часто бачили в тест-драйвах фрази про «типово короткохідний характер двигуна» і не зовсім розуміли, про що йдеться. Сьогодні ми нарешті розповімо, що таке коротко- і довгохідні мотори, у чому різниця підходів до проектування двигунів, і чому зараз можна впевнено сказати, що «довгохідники» таки перемогли.

Середня швидкість, і якою вона буває

Для розуміння питання доведеться згадати трохи про конструкцію ДВС та принципи його роботи. Ви, напевно, знаєте, що в основі будь-якої конструкції двигуна внутрішнього згоряннялежить вплив газів, що розширюються, на поршень. Поршні можуть бути будь-якої форми та розмірів, але у будь-якого поршня є такий параметр, як Середня швидкість, І від неї залежить дуже і дуже багато.

Середня швидкість поршня – величина, яку можна визначити за формулою Vp = Sn/30, де S – хід поршня, м; n – частота обертання, хв-1. І саме вона визначає ступінь можливого форсування двигуна за оборотами, прискорення елементів шатунно- поршневої групипід час роботи, а також його механічний ККД.

Від середньої швидкості поршня залежить навантаження на стінку поршня, на поршневий палець, шатун і коленвал. Причому залежність ця квадратична: зі збільшенням швидкості (Vp) вдвічі навантаження збільшуються вчетверо, і якщо втричі – то у дев'ять разів.

Експерименти інженерів-мотористів вже дуже давно довели, що класична конструкція шатунно-поршневої групи витримує. максимальну швидкістьблизько 17-23 м/с. І що вище ця величина, то швидше зношується мотор. Збільшити швидкість поршня практично неможливо – найполегшені гоночні двигуни Формули-1 мали швидкість близько 23-25 ​​м/с, і це дуже багато. Цього вдалося досягти тільки тому, що "формульні" мотори розраховані на дуже коротку експлуатацію - від них не потрібно "ходити" по 100 000 км.

Від теорії – до практики. Як відомо, потужність мотора - це похідна від моменту, що крутить, помноженого на обороти (про це я писав). Тобто якщо ми хочемо отримати більше потужності, то треба збільшувати оберти. Оскільки швидкість поршня обмежена, то в нас не залишається іншого вибору, крім як зменшити його хід. Чим менше відстань потрібно пройти поршню за один оборот, тим меншою може бути його швидкість.

Короткохідні, довгохідні та «квадратні» мотори

Статті / Практика

Не повсталі з пекла: як і чому вмирають мотори від перегріву та втрати олії

Як вмирають мотори, через що, і коли варто зупинитися та відправити машину в сервіс на евакуаторі? Сподіваюся, ви не знайдете в тексті свого «анамнезу», але прочитайте до кінця, буває в житті...

29443 1 20 06.10.2016

Здавалося б, вище ми щойно озвучили два прекрасні аргументи для максимального зменшення ходу поршня. До того ж, що менше хід поршня, то більше вписувалося діаметр циліндра при тому ж обсязі, і тим більші клапани можна поставити. Поліпшується газообмін, а отже, і робота двигуна в цілому… Але, як виявилося, безмірно зменшувати хід теж не можна.

Чим менший хід, тим більше має бути діаметр циліндра, якщо ми хочемо зберегти об'єм. А ось форма камери згоряння зі зростанням діаметра циліндра погіршується, співвідношення обсягу камери та площі неминуче зростає, збільшується коефіцієнт залишкових газів, зростають теплові втрати, погіршується згоряння палива… ККД падає, схильність до детонації підвищується, погіршуються економічність та екологічність.

При зменшенні ходу поршня знижується, до того ж, і діаметр кривошипа колінчастого валу, а значить, зменшується момент мотора, що крутить. Погіршуються і масогабаритні параметри двигунів – вони стають значно більшими в горизонтальному перерізі. До того ж для збереження робочого об'єму доводиться збільшувати кількість циліндрів, а це веде до різкого підвищення складності конструкції. Загалом потрібен був компроміс.

Основні завдання проектування двигунів вирішили до 60-х років минулого століття, тоді ж намацали межі міцності конструкції за середньою швидкістю поршня. Стало ясно, що оптимальні параметрипотужності, загального ККД та габаритів у атмосферного мотора виходять у тому випадку, якщо діаметр циліндра дорівнює ходу поршня або трохи менше.

Якщо вони збігаються, такі мотори ще називають «квадратними». Мотори, у яких діаметр циліндра все-таки більший за хід поршня, називають короткохідними, а ті, у яких він менший, – довгохідними.

Уважний читач скаже: стоп, а звідки узялися короткохідні мотори, якщо експерименти довели, що найефективніше «квадратні» чи трохи довгохідні?! Все просто: короткохідники набули поширення в автоспорті. Там витрата палива та прийомистість на низьких оборотахне сильно «робили погоду», і можна було пожертвувати ККД задля досягнення більшої потужності на високих оборотахза збереження малого робочого обсягу.

Для отримання кращої паливної економічності, тяги та чистоти вихлопу, навпаки, хід поршня збільшували, жертвуючи оборотами та максимальною потужністю. Довгохідні мотори застосовували там, де були потрібні тяга та економічність.

Тим часом, до 80-х років середню швидкість поршня в серійних моторах довели до 18 м/с, далі її збільшувати не виходило. Така ситуація збереглася до 90-х, коли вимоги до масогабаритних та економічних характеристик моторів різко зросли.

Довгохідний прогрес

Статті / Практика

Капремонт турбодизеля Mitsubishi з пробігом 500 тисяч кілометрів: головка блоку циліндрів

Рядна "четвірка" 3,2 TD серії 4M41 - далеко не найгірший представник сімейства сучасних турбодизелів. Відтягнувши за 10 років дві з половиною тонни японського заліза в особі Mitsubishi Pajero Wagon 2006 року випуску, цей...

5543 0 1 28.09.2016

90-ті роки – це насамперед масове впровадження нових екологічних норм, різке підвищення маси кузова автомобілів через нові вимоги щодо пасивної безпеки, а заразом і збільшені вимоги до габаритів та економічності силових агрегатів. Машини ставали просторішими зсередини і безпечнішими у всіх сенсах.

А двигунам доводилося встигати за прогресом. Масовий перехід на багатоклапанні головки блоків циліндрів підвищив потужність і зробив мотори чистішими. Середній робочий об'єм двигуна постаралися зменшити і тим самим виграти у витраті палива та габаритах. Прогрес у галузі конструювання поршневої групи дозволив зменшити висоту поршня та збільшити довжину шатуна, зробивши більше механічний ККД двигуна.

Отже, можна перейти до більш довгохідних конструкцій, які при тому ж робочому обсязі були компактнішими, мали більший крутний момент і до того ж стали економічнішими. Полегшення поршневої групи дозволило знизити навантаження на неї при високих оборотах, а масове впровадження турбонаддува та регульованого впуску – ще й виграти у максимальній потужності та тязі. Помірковано довгохідні мотори від цього тільки виграли.

У 2000-ті у стані двигунів об'ємом від 2 літрів намітився перелом у переході від «квадратів» до довгохідних конструкцій. І ось вам кілька прикладів. При робочому обсязі 2 літри мотори VW серії ЕА888 (стоять на безлічі моделей концерну від Skoda Octaviaдо Audi A5) мають хід поршня 92,8 мм при діаметрі циліндра 82,5, а 2-літрові мотори Renault серії F4R (найбільш відомий по Duster) - 93 мм і 82,7 відповідно. Мотори Toyota об'ємом 1,8 л серії 1ZZ (Corolla, Avensis та ін.) - Ще більш довгохідні, їх розмірність 91,5 х79.

Робочі обороти таких двигунів помітно зменшилися, особливо у турбонаддувних, знизилися обороти максимальної потужності. А значить і зниження механічного ККД вже не так важливо, зате переваги є. За габаритами мотори лише трохи більше «класичних» 1,6 з недавнього минулого, а по тязі та витраті палива набагато перевершують однооб'ємних попередників.

У сучасних моторах намагаються поєднувати високу ефективність роботи довгохідних моторів та підвищений механічний ККД короткохідних. Так, в ультрасучасному (але тим не менш вже знімається з виробництва) моторі BMWсерії N20В20 (стоять на 1-й, 3-й, 5-й серіях, X1 і X3) застосовується несиметрична поршнева група, в якій вісь колінчастого валу та вісь поршневих пальців зміщені щодо осі циліндрів. Тут використовуються регульований маслонасос, плазмове напилення циліндрів, бездросельний впуск та інші технічні «фокуси» для зниження механічних втратта опору впуску. Розмірність цього довгохідного мотора 90,1 х84, і ніхто не скаже, що у нього погані характеристики хоч у чомусь, крім надійності.

Дизелі

Дизельні мотори, які з особливостей робочого циклу зазвичай є довгохідними і низькооборотними, виграли подвійно. Впровадження турбонаддува різко підняло момент, що крутить, і дозволило знизити ступінь стиснення, а прогрес паливної апаратури і поршневої групи - ще й збільшити робочі обороти.

На фото: двигун Volkswagen Golf TDI

У результаті дизелі перевершили за літровою потужністю атмосферні. бензинові мотори, А по моменту, що крутить, - бензинові мотори з наддувом. Так, двигуни серії N57 (3-я, 5-а, 7-а серії, X3, X5 та ін.) від BMW при діаметрі циліндра 84 мм і ході поршня 90 мм мають робочий об'єм 2,993 літра, потужність до 381 л. с. і 740 Нм крутного моменту. Середня швидкість поршня при цьому – 13,2 метри на секунду.

Роман із соляркою: чому Європа любила дизелі, а тепер перестала

Якщо ви читаєте мої огляди техніки на вторинному ринку, то помітили, що на початку двохтисячних у BMW і Mercedes були відмінні дизельні V8, а потім раптом робочий об'єм дизелів різко зменшився до...

79052 13 23 17.12.2015

Зворотній бік

Звичайно ж, безпрограшних лотерей не буває, і чудової високої віддачі досягли ціни надійності - тут немає жодного секрету. Старий принцип актуальний і понині: у «дуже довгохідних» моторів висока середня швидкість поршня збільшує навантаження на стінки циліндра.

Звичайно ж, матеріали стають кращими, але при порівнянні двигунів однієї серії з різними параметрами ходу поршня та діаметра циліндра помітно, що довгохідні моделі схильні до зносу. поршневих кілецьі задир циліндрів. І ресурс поршневої у них виявляється суттєво нижчим, ніж у «квадратніших» побратимів.

А ось при порівнянні різних моторіввсе не так однозначно. На моторах з алюмінієвим блоком і намагаються знизити навантаження на стінку циліндра навіть зниженням ходу поршня, але, як правило, все одно ресурс виходить менше, ніж у моторів з чавунними гільзами або блоком.

Мотор Renault-Nissan серії M4R (Qashqai, Fluence та ін.), який прийшов на зміну згаданому чавунному F4R, має хід поршня 90,1 мм при діаметрі циліндра 84 - він все ще довгохідний, але хід поршня значно скоротився. Габарити при цьому не збільшуються за рахунок тонкостінної конструкції блоку циліндрів.

Сучасні двигуни не потребують високих оборотів для досягнення високої потужності, а економічність та екологічність стають все важливішими. Нехай навіть у реальній експлуатації заявлені характеристики і не підтверджуються… До того ж, можна шляхом ускладнення конструкції обійти безліч обмежень, які десятки років змушували робити вибір між потужністю та економічністю двигунів.

Статті / Історія

Чому сучасні мотори ламаються частіше за старі та перевірені

Здавалося б, з розвитком техніки мотори повинні ставати все надійнішими і надійнішими, але з якоїсь причини цього не відбувається. Складається враження, що ми спостерігаємо зворотну тенденцію. Так, на думку багатьох гаражних...

208911 14 121 23.02.2015

Короткохідні крутильні мотори просто вимирають, їм немає місця в новому світі. Навіть у Формулі-1 відмовилися від екстремальних конструкцій з робочими оборотами за 19 тисяч та співвідношенням діаметра циліндра та ходу поршня більше 2,4 до 1. Звичайно, для фанатів та гоночних серій випуск подібної техніки збережеться, але в практичному плані сенсу в ній вже немає . Перемога довгохідних конструкцій, за рідкісними винятками, фактично відбулася.

Одним з небагатьох «оплотів короткохідності» донедавна залишалися атмосферні V6 та V8 від Mercedes-Benz. Так, мотори серії М272 (E-Klasse W211, M-Class W164 та ін) - відверто короткохідні у всіх варіантах виконання. Наприклад, у 3-літровій версії співвідношення ходу до діаметра буде 82,1 до 88. Як і їхні батьки в особі М104, так і їхні спадкоємці аж до М276, вони були втіленням успішних моторів короткохідних. Компанія не прагнула зайвої компактності моторів, місця було достатньо, а моменту у двигунів об'ємом 3-3,5 літра і так вистачало із запасом. Городити довгохідну конструкцію не було сенсу.

Але нове покоління двигунів AMG серій М133/М176 із наддувом стали довгохідними – 83х92 мм, як і перспективна рядна шістка 3,0 із наддувом серії М256 – 83х92,4 мм.

На фото: двигун Mercedes-AMG CLA 45 4MATIC

З "могікан" залишаються хіба що мотори GM, їхній блок V8 6,2 Vortec/L86/LT1 все ще не прагне компактності, маючи розмірність 103,25х92 мм, і навіть компресорна версія LT4 зберігає ту ж розмірність блоку. Але це, найімовірніше, теж ненадовго.

Кінець суперечкам

Даунсайз, наддув, безпосередній упорскування, гладка моментна характеристика, високий крутний момент, регульований ГРМ і передові трансмісії створили невелике диво. Суперечки «довгохідний чи короткохідний» вже не актуальні.

Мотори раптом додали в літровій потужності до кордонів, які раніше вважалися можливими тільки для спеціально підготовлених гоночних моторів. Побачивши цифри 120-150 л. с. з літра об'єму, ми вже не дивуємось, і навіть 200 л. с. на літр здаються цілком реальними, а «смішна» паспортна витрата палива для потужної та важкої машини здається цілком реальною. Дизельні двигуниз «гидких каченят» перетворилися на прекрасних лебедів з літровою потужністю навіть більшою, ніж у бензинових двигунів.

Багато в чому все це плюс зменшення габаритів і ваги моторів стало можливим завдяки довгохідній конструкції. Тренд, що остаточно оформився, навряд чи переламається, особливо з урахуванням прогнозованого витіснення ДВЗ електромоторами і різноманітними «подовжувачами дистанції».