Меню

Что такое скорость хода поршня

Длинноходные и короткоходные моторы – в чем разница, и какие лучше?

Признайтесь, что вы часто видели в тест-драйвах фразы про «типично короткоходный характер мотора» и не вполне понимали, о чем идет речь. Сегодня мы наконец расскажем, что такое коротко- и длинноходные моторы, в чем разница подходов к проектированию двигателей, и почему сейчас можно уверенно сказать, что «длинноходники» все-таки победили.

Средняя скорость, и какой она бывает

Д ля понимания вопроса придется вспомнить немного о конструкции ДВС и принципах его работы. Вы наверняка знаете, что в основе любой конструкции двигателя внутреннего сгорания лежит воздействие расширяющихся газов на поршень. Поршни могут быть любой формы и размеров, но у любого поршня есть такой параметр, как средняя скорость, и от нее зависит очень и очень многое.

Средняя скорость поршня – это величина, которую можно определить по формуле Vp = Sn/30, где S – ход поршня, м; n – частота вращения, мин-1. И именно она определяет степень возможного форсирования двигателя по оборотам, ускорения элементов шатунно-поршневой группы во время работы, а также его механический КПД.

От средней скорости поршня зависят нагрузки на стенку поршня, на поршневой палец, шатун и коленвал. Причем зависимость эта квадратичная: с увеличением скорости (Vp) в два раза нагрузки увеличиваются в четыре раза, а если в три – то в девять раз.

Эксперименты инженеров-мотористов уже очень давно доказали, что классическая конструкция шатунно-поршневой группы выдерживает максимальную скорость порядка 17-23 м/с. И чем выше эта величина, тем скорее изнашивается мотор. Увеличить скорость поршня практически невозможно – самые облегченные гоночные двигатели Формулы-1 имели скорость порядка 23-25 м/с, и это безумно много. Этого удалось достичь только потому, что «формульные» моторы рассчитаны на очень короткую эксплуатацию – от них не требуется «ходить» по 100 000 км.

От теории – к практике. Как известно, мощность мотора – это производная от крутящего момента, помноженного на обороты (об этом я писал большую статью с таблицами и графиками). То есть, если мы хотим получить больше мощности, то надо увеличивать обороты. А так как скорость поршня ограничена, то у нас не остается другого выбора, кроме как уменьшить его ход. Чем меньше расстояние нужно пройти поршню за один оборот, тем меньше может быть его скорость.

Короткоходные, длинноходные и «квадратные» моторы

Казалось бы, выше мы только что озвучили два прекрасных аргумента для максимального уменьшения хода поршня. К тому же, чем меньше ход поршня, тем больше диаметр цилиндра при том же объеме, и тем более крупные клапаны можно поставить. Улучшается газообмен, а значит, и работа мотора в целом… Но, как оказалось, безмерно уменьшать ход тоже нельзя.

Чем меньше ход, тем больше должен быть диаметр цилиндра, если мы хотим сохранить объем. А вот форма камеры сгорания с ростом диаметра цилиндра ухудшается, соотношение объема камеры и площади неизбежно растет, увеличивается коэффициент остаточных газов, возрастают тепловые потери, ухудшается сгорание топлива… КПД падает, склонность к детонации повышается, ухудшаются экономичность и экологичность.

При уменьшении хода поршня снижается, к тому же, и диаметр кривошипа коленчатого вала, а значит, уменьшается крутящий момент мотора. Ухудшаются и массогабаритные параметры двигателей – они становятся куда крупнее в горизонтальном сечении. К тому же для сохранения рабочего объема приходится увеличивать число цилиндров, а это уже ведет к резкому повышению сложности конструкции. В общем, нужен был компромисс.

Основные задачи проектирования моторов решили к 60-м годам прошлого века, тогда же нащупали пределы прочности конструкции по средней скорости поршня. Стало ясно, что оптимальные параметры мощности, общего КПД и габаритов у атмосферного мотора получаются в том случае, если диаметр цилиндра равен ходу поршня или чуть меньше.

На фото: двигатель Nissan Qashqai

Если они совпадают, то такие моторы еще называют «квадратными». Моторы, у которых диаметр цилиндра все-таки больше хода поршня, называют короткоходными, а те, у которых он меньше, – длинноходными.

Внимательный читатель скажет: стоп, а откуда вообще взялись короткоходные моторы, если эксперименты доказали, что эффективнее всего «квадратные» или чуть-чуть длинноходные?! Все просто: короткоходники получили распространение в автоспорте. Там расход топлива и приемистость на низких оборотах не сильно «делали погоду», и можно было пожертвовать КПД ради достижения большей мощности на высоких оборотах при сохранении малого рабочего объема.

Для получения лучшей топливной экономичности, тяги и чистоты выхлопа, наоборот, ход поршня увеличивали, жертвуя оборотами и максимальной мощностью. Длинноходные моторы применяли там, где были нужны тяга и экономичность.

Тем временем, к 80-м годам среднюю скорость поршня в серийных моторах довели до предела в 18 м/с, дальше ее увеличивать не получалось. Такая ситуация сохранилась до 90-х, когда требования к массогабаритным и экономическим характеристикам моторов резко возросли.

Длинноходный прогресс

90-е годы – это в первую очередь массовое внедрение новых экологических норм, резкое повышение массы кузова автомобилей из-за новых требований по пассивной безопасности, а заодно и возросшие требования к габаритам и экономичности силовых агрегатов. Машины становились просторнее изнутри и безопаснее во всех смыслах.

Читайте также:  Как вдавить поршень суппорта задний тойота королла

А двигателям приходилось поспевать за прогрессом. Массовый переход на многоклапанные головки блоков цилиндров повысил мощность и сделал моторы чище. Средний рабочий объем мотора постарались уменьшить и тем самым выиграть в расходе топлива и габаритах. Прогресс в области конструирования поршневой группы позволил уменьшить высоту поршня и увеличить длину шатуна, сделав больше механический КПД мотора.

Следовательно, стало возможно перейти к более длинноходным конструкциям, которые при том же рабочем объеме были компактнее, имели больший крутящий момент и к тому же стали экономичнее. Облегчение поршневой группы позволило снизить нагрузки на нее при высоких оборотах, а массовое внедрение турбонаддува и регулируемого впуска – еще и выиграть в максимальной мощности и тяге. Умеренно длинноходные моторы от этого только выиграли.

В 2000-е в стане двигателей объемом от 2 литров наметился перелом в переходе от «квадратов» к длинноходным конструкциям. И вот вам несколько примеров. При рабочем объеме 2 литра моторы VW серии ЕА888 (стоят на множестве моделей концерна от Skoda Octavia до Audi A5) имеют ход поршня 92,8 мм при диаметре цилиндра 82,5, а 2-литровые моторы Renault серии F4R (более всего известный по Duster) – 93 мм и 82,7 соответственно. Моторы Toyota объемом 1,8 л серии 1ZZ (Corolla, Avensis и др.) – еще более длинноходные, их размерность 91,5х79.

На фото: двигатель Volkswagen Golf GTI

Рабочие обороты таких двигателей заметно уменьшились, особенно у турбонаддувных, снизились и обороты максимальной мощности. А значит и снижение механического КПД уже не столь важно, зато преимущества налицо. По габаритам моторы лишь немного больше «классических» 1,6 из недавнего прошлого, а по тяге и расходу топлива намного превосходят однообъемных предшественников.

В современных моторах пытаются сочетать высокую эффективность работы длинноходных моторов и повышенный механический КПД короткоходных. Так, в ультрасовременном (но тем не менее уже снимаемом с производства) моторе BMW серии N20В20 (стоят на 1-й, 3-й, 5-й сериях, X1 и X3) применяется несимметричная поршневая группа, в которой ось коленчатого вала и ось поршневых пальцев смещены относительно оси цилиндров. Тут используются регулируемый маслонасос, плазменное напыление цилиндров, бездроссельный впуск и прочие технические «фокусы» для снижения механических потерь и сопротивления впуска. Размерность этого длинноходного мотора 90,1х84, и никто не скажет, что у него плохие характеристики хоть в чем-то, кроме надежности.

Дизели

Дизельные моторы, которые в силу особенностей рабочего цикла обычно являются длинноходными и низкооборотными, выиграли вдвойне. Внедрение турбонаддува резко подняло крутящий момент и позволило снизить степень сжатия, а прогресс топливной аппаратуры и поршневой группы – еще и увеличить рабочие обороты.

На фото: двигатель Volkswagen Golf TDI

В итоге дизели превзошли по литровой мощности атмосферные бензиновые моторы, а по крутящему моменту – бензиновые моторы с наддувом. Так, двигатели серии N57 (3-я, 5-я, 7-я серии, X3, X5 и др.) от BMW при диаметре цилиндра 84 мм и ходе поршня 90 мм имеют рабочий объем 2,993 литра, мощность до 381 л. с. и 740 Нм крутящего момента. Средняя скорость поршня при этом – 13,2 метра в секунду.

Оборотная сторона

Конечно же, беспроигрышных лотерей не бывает, и чудесной высокой отдачи добились ценой надежности – тут нет никакого секрета. Старый принцип актуален и поныне: у «сильно длинноходных» моторов высокая средняя скорость поршня увеличивает нагрузку на стенки цилиндра.

Конечно же, материалы становятся лучше, но при сравнении двигателей одной серии с разными параметрами хода поршня и диаметра цилиндра заметно, что длинноходные модели более склонны к износу поршневых колец и задирам цилиндров. И ресурс поршневой у них оказывается существенно ниже, чем у более «квадратных» собратьев.

А вот при сравнении разных моторов все далеко не так однозначно. На моторах с алюминиевым блоком и алюсиловым покрытием стараются снизить нагрузку на стенку цилиндра в том числе и снижением хода поршня, но, как правило, все равно ресурс получается меньше, чем у моторов с чугунными гильзами или блоком.

Мотор Renault-Nissan серии M4R (Qashqai, Fluence и др.), который пришел на смену уже упомянутому чугунному F4R, имеет ход поршня 90,1 мм при диаметре цилиндра 84 – он все еще длинноходный, но ход поршня значительно сократился. Габариты при этом не увеличиваются за счет более тонкостенной конструкции блока цилиндров.

На фото: двигатель Renault Latitude

Современные двигатели не нуждаются в высоких оборотах для достижения высокой мощности, а экономичность и экологичность становятся все важнее. Пусть даже в реальной эксплуатации заявленные характеристики и не подтверждаются… К тому же, можно путем усложнения конструкции обойти множество ограничений, которые десятки лет заставляли делать выбор между мощностью и экономичностью моторов.

Читайте также:  Поршень мотордеталь ваз 21124

Короткоходные «крутильные» моторы просто вымирают, им нет места в новом мире. Даже в Формуле-1 отказались от экстремальных конструкций с рабочими оборотами за 19 тысяч и соотношением диаметра цилиндра и хода поршня больше 2,4 к 1. Конечно, для фанатов и гоночных серий выпуск подобной техники сохранится, но в практическом плане смысла в ней уже нет. Победа длинноходных конструкций, за редким исключением, фактически состоялась.

Одним из немногих «оплотов короткоходности» до недавнего времени оставались атмосферные V6 и V8 от Mercedes-Benz. Так, моторы серии М272 (E-Klasse W211, M-Class W164 и др.) – откровенно короткоходные во всех вариантах исполнения. Например, у 3-литровой версии соотношение хода к диаметру будет 82,1 к 88. Как и их предки в лице М104, так и их наследники вплоть до М276, они были олицетворением успешных короткоходных моторов. Компания не стремилась к излишней компактности моторов, места было достаточно, а момента у двигателей объемом 3-3,5 литра и так хватало с запасом. Городить длинноходную конструкцию не было смысла.

Но новое поколение двигателей AMG серий М133/М176 с наддувом стали длинноходными – 83х92 мм, как и перспективная рядная шестерка 3,0 с наддувом серии М256 – 83х92,4 мм.

На фото: двигатель Mercedes-AMG CLA 45 4MATIC

Из «могикан» остаются разве что моторы GM, их блок V8 6,2 Vortec/L86/LT1 все еще не стремится к компактности, имея размерность 103,25х92 мм, и даже компрессорная версия LT4 сохраняет ту же размерность блока. Но это, скорее всего, тоже ненадолго.

Конец спорам

Даунсайз, наддув, непосредственный впрыск, гладкая моментная характеристика, высокий крутящий момент, регулируемый ГРМ и продвинутые трансмиссии сотворили маленькое чудо. Споры «длинноходный или короткоходный» уже более не актуальны.

Моторы вдруг прибавили в литровой мощности до границ, ранее считавшихся возможными только для специально подготовленных гоночных моторов. Увидев цифры в 120-150 л. с. с литра объема, мы уже не удивляемся, и даже 200 л. с. на литр кажутся вполне реальными, а «смешной» паспортный расход топлива для мощной и тяжелой машины кажется вполне реальным. Дизельные двигатели из «гадких утят» превратились в прекрасных лебедей с литровой мощностью даже большей, чем у бензиновых двигателей.

Во многом все это, плюс уменьшение габаритов и веса моторов, стало возможным благодаря длинноходной конструкции. Окончательно оформившийся тренд вряд ли переломится, особенно с учетом прогнозируемого вытеснения ДВС электромоторами и разнообразными «удлинителями дистанции».

Источник статьи: http://www.kolesa.ru/article/dlinnohodnye-i-korotkohodnye-motory-v-chem-raznitsa-i-kakie-luchshe

Зависимости перемещения поршня от угла поворота кривошипа.

Величина и характер изменения механических нагрузок, приходящихся на детали КШМ, определяются на основе кинематического и динамического исследования КШМ. Динамическому расчету предшествует тепловой расчет, обеспечивающий возможность выбора основных размеров двигателя и нахождения величины и характера изменения сил от давления газов.

Основной задачей кинематического расчета КШМ является определение перемещения, скорости и ускорения поршня.

Кинематика КШМ зависит от его конструктивной схемы. В автомобильных поршневых двигателях применяются в основном кривошипно-шатунные механизмы трех конструктивных схем (рис. 3.1):

а) центральный КШМ, у которого ось цилиндра пересекается с осью коленвала;

б) смещенный КШМ, имеющий смещение оси цилиндра относительно оси коленвала на некоторое расстояние а;

в) V- образный КШМ ( в том числе кшм с прицепным шатуном), в котором два шатуна, работающие на левый и правый цилиндры, размещены на одном кривошипе коленвала.

Рис. 3.1 Схемы кривошипно-шатунных механизмов: а) центрального; б) дезаксиального; с) V-образного.

На рисунке 3.1 обозначено: — угол поворота кривошипа в рассматриваемый момент времени, отсчитываемой от оси цилиндра в направлении вращения коленвала по часовой стрелке; — относительное смещение; — угол отклонения шатуна от оси цилиндра в плоскости его качания (отклонение в сторону вращения вала — положительное); — угловая скорость кривошипа; — радиус кривошипа; L = AB — длина шатуна; — безразмерный параметр КШМ; для автомобильных двигателей ; S = A1 A2 = 2R — полный ход поршня.

Наибольшее распространение в автомобильных двигателях получил центральный КШМ. Проанализируем кинематику и динамику его работы.

Будем считать, что коленвал вращается с постоянной угловой скоростью не только в течение длительного времени, но и в течение одного оборота. В современных многоцилиндровых быстроходных двигателях колебания угловой скорости вращения коленвала в течение одного оборота, вызываемые неравномерностью крутящего момента, при установившемся скоростном режиме работы двигателя незначительны.

При = const угол поворота вала пропорционален времени:

где n — частота вращения вала, об/мин; t — время, с.

Это позволяет все кинематические величины выразить как функции одного аргумента- угла .

В центральном КШМ при = 0 поршень занимает крайнее положение А1(вмт), при =180 — поршень занимает положение А2(нмт).

При повороте кривошипа на угол 90 0 перемещение поршня от его начального положения в ВМТ определяется отрезком АА1.

.

Т.к. A1O = R+L; ; , то

Из треугольников ОСВ и АСВ имеем . Откуда

Последнее выражение представляет собой бином Ньютона, которой можно разложить в ряд

Пренебрегая членами ряда выше второго порядка, принимаем с достаточной для практики точностью

Читайте также:  Поршня для нивы 21214

Используя это выражение получим

или

(*)

Последнее выражение является уравнением движения кривошипно-шатунного механизма, описывающим перемещение поршня в зависимости от угла поворота кривошипа и геометрических размеров КШМ.

Перемещение поршня можно представить как сумму гармонических перемещений первого и второго порядка:

и

Из анализа выражения (*) следует, что

при SП=0

при SП=2R

при SП=R

Отсюда следует, что при повороте кривошипа из положения, соответствующего верхней мертвой точке, на первую четверть оборота ( от до ) поршень проходит на больший путь, чем при его повороте на вторую четверть оборота (от до ). Это вызвано тем, что перемещение поршня складывается из двух слагаемых: первое обслуживается движением шатуна вдоль оси цилиндра, а второе — угловым его отклонением от оси цилиндра. Эти слагаемые в первой четверти оборота кривошипа складываются, а во второй четверти — вычитаются.

Влияние отклонения шатуна от оси цилиндра на перемещение поршня тем больше, чем больше и R.

График перемещения поршня в зависимости от угла поворота кривошипа имеет вид:

Рис. 3.2 График зависимости перемещения поршня от угла поворота

Одним из методов графического определения перемещения поршня является метод Брикса, сущность которого заключается в следующем.

Описывается окружность радиусом равным радиусу кривошипа R. На вертикальном диаметре от центра О откладывается в направлении НМТ отрезок ОО1, равный .

Для определения перемещения поршня при повороте кривошипа на некоторый угол через точку О1 проводится под углом к вертикали луч ОС1 до пересечения его с окружностью.

Проекция точки С на вертикальном диаметре (точка С1) определяет положение поршня, а отрезок АС1— пройденный им путь.

Рис. 3.3. Графическое определение перемещений поршня

Отрезок АВ1 представляет ту часть перемещения поршня, которая вызвана вертикальным перемещением первого порядка, а отрезок В1С1 — перемещение поршня второго порядка, вызванное отклонением шатуна от оси цилиндра. Нетрудно доказать, что и в этом случае:

Скорость поршня

Выражение для определения скорости поршня как функции угла поворота кривошипа можно получить путем дифференцирования уравнения движения кривошипно-шатунного механизма.

Скорость поршня можно представить как сумму скоростей первого и второго порядка:

,

где

Зависимость скорости поршня и ее составляющих от угла поворота имеют вид, представленный на рисунке 8.4

Видно, что составляющие скорости поршня представляют собой гармонические функции угла поворота кривошипа, причем с разными периодами.

В инженерной практике для оценки быстроходности и долговечности поршневых двигателей используется средняя скорость поршня

.

Cредняя скорость ограничивается условиями надежной работы деталей цилиндропоршневой группы и составляет 8-16 м/с.

Отношение .

Следовательно, с достаточной для инженерной практики точность можно считать, что

Рис. 3.4.Зависимость скорости поршня от угла поворота кривошипа

Ускорение поршня

Ускорение поршня находится дифференцированием выражения для определения скорости по времени:

Видно, что ускорение поршня .

— ускорение первого порядка

— ускорение второго порядка.

Аналогично со скоростью можно построить график изменения ускорения.

Максимальное ускорение поршня для автомобильных двигателей 6000-20000 м/с .

Динамика КШМ (Часть 1)

План лекции

4.2. Массы движущихся деталей КШМ и их приведение.

Силы давления газов

Сила давления газов на поршень:

где рr -давление газов в цилиндре (давление над поршнем); po— давление газов под поршнем, т.е. в картере двигателя; Fn— площадь сечения цилиндра.

Для четырехтактных двигателей с вентиляцией картера давление газов под поршнем принимается равным атмосферному давлению, а для двухтактных с кривошипно-камерной продувкой — давлению продувки рк.

Поскольку давление газов переменно, то сила давления газов тоже является переменной величиной, т.е.

Давление газов на поршень при различных значениях его хода определяется по индикаторной диаграмме. Индикаторную диаграмму перестраивают по методу Брикса в развернутую индикаторную диаграмму по углу поворота кривошипа . Развернутая индикаторная диаграмма в соответствующем масштабе представляет собой график зависимости силы давления газов от угла поворота кривошипа

Для графического перестроения индикаторной диаграммы в развернутую индикаторную диаграмму по углу поворота коленвала вычисляют по формуле (*) и откладывают на диаграмме перемещение поршня от в.м.т., соответствующее определенным углам поворота коленвала (практически через 15 или 30).

Сила давления газов считается приложенной к оси поршневого пальца и имеет положительный знак; если она направлена к оси кривошипа, и отрицательный, если она направлена в противоположную сторону. Последнее имеет место лишь при давлении газов в цилиндре меньше атмосферного.

Сила давления газов имеет максимальное значение, когда поршень находится вблизи в.м.т. Сила давления газов вызывает основные нагрузки в деталях КШМ двигателя внутреннего сгорания.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Источник статьи: http://cyberpedia.su/21×2806.html

Adblock
detector