vrbevilja965 › Блог › Как форсировать двигатель. Введение. Форсирование автомобильных двигателей

МЕТОДЫ ФОРСИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ: — DRIVE2

Когда имеется в виду мощность двигателя, необходимо не забывать о том, что эта величина является расчетной. Реальная величина механической энергии, выдаваемой двигателем внутреннего сгорания, измеряется в крутящем моменте при определенных оборотах. Произведение крутящего момента и оборотов, при которых он измерен, и называют мощностью.

Не будем вдаваться глубоко в теорию. Рассмотрим практические методы повышения мощности двигателя:

1. Увеличение рабочего объема двигателя.2. Увеличение степени сжатия.3. Уменьшение механических потерь.4. Оптимизация процессов горения смеси.5. Увеличение наполнения цилиндров.

Рассмотрим каждый из перечисленных методов по отдельности.

• Увеличение рабочего объема двигателя.

Увеличить рабочий объем двигателя можно: заменив колен.вал на другой с большим ходом, увеличив диаметр цилиндра или то и другое одновременно. Не надо забывать, что при изменении объема двигателя, необходимо увеличить объем камеры сгорания — для компенсации увеличения объема цилиндра.

Для ВАЗовских двигателей, используемых на заднеприводных автомобилях существуют колен.валы с ходом 66, 80, 84, 86, 88 мм.Для ВАЗовских двигателей, используемых на переднеприводных автомобилях существуют колен.валы с ходом 60.6, 71, 74.8, 75.6, 78, 80, 84 мм.При установке колен.вала с большим ходом необходимо доработать (либо заменить) шатуны или поршни.

К расточке цилиндров блока на значительную величину ( 2мм.) нужно подходить осторожно. Например, при расточке серийного блока ВАЗ 21083 с 82мм. до 84 мм. у двигателя наблюдается повышенный расход масла. Это происходит за счет потери жесткости блока. В этом случае лучше использовать специальную толстостенную отливку блока. Такие блоки ВАЗ выпускает мелкими сериями.

Увеличение объема двигателя приводит к увеличению максимального крутящего момента, но при этом происходит снижение оборотов максимальной мощности. Это происходит из-за уменьшения механического КПД. Если повышение объема происходит за счет увеличения диаметра цилиндров, то возрастает площадь контакта между стенками цилиндра и поршнем с поршневыми кольцами. Как следствие повышается трение. Если повышение объема происходит за счет увеличения хода колен.вала, то возрастает средняя скорость поршня, что приводит к тем же результатам.В любом случае повышение объема приводит к падению общего КПД двигателя.

• Увеличение степени сжатия.Термический КПД

Увеличение степени сжатия (степени расширения) является эффективным способом повышения КПД двигателя.

Геометрический объем камеры сгорания складывается из:

— объемы камеры сгорания в головке— объемы в прокладке— объемы созданный не доходом поршня до плоскости разьема (если есть)— объем выборки в поршне

Степень сжатия зависит от фаз газораспределения (запаздывания закрытия впускного клапана) и угла открытия дроссельной заслонки. Так, на серийных двигателях угол зажигания при частичных нагрузках превышает 40 градусов. Это возможно благодаря низкому наполнению цилиндров и как следствию понижению степени сжатия. Чем выше наполнение, тем выше степень сжатия. Существует понятие — динамическая степень сжатия. У большинства двигателей, дорожных и гоночных, динамическая степень сжатия находится в диапазоне от 7 до 10 и зависит от октанового числа используемого бензина. Очень высокая геометрическая степень сжатия спортивных двигателей в первую очередь объясняется применением распред. валов с широкими фазами. Установка на двигатель модифицированного распред. вала с широкими фазами позволяет несколько увеличить геометрическую степень сжатия. Повышение степени сжатия с переходом на бензин с более высоким октановым числом приводит к увеличению мощности во всем диапазоне оборотов.

• Уменьшение механических потерь.

Механические потери двигателя складываются из:

— Потери на трение.— Насосные потери.— Потери на привод вспомогательного оборудования.

Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре. Потери зависят от площади трущихся деталей, жесткости и количества поршневых колец, толщины масляной пленки и средней скорости поршня.

Для уменьшения потерь на трение в паре поршень — цилиндр, необходимо использовать сборные маслосъемные кольца, также целесообразно несколько увеличить зазор между поршнем и цилиндром. Облегчение шатуна, особенно верхней головки, уменьшает боковое давление на поршень, с этой же целью нужно использовать по возможности более длинный шатун, что благоприятно скажется на уменьшении потерь на трение. Теоретически необходимо подогнать по весу и отбалансировать все детали КШМ.

Нами был произведен эксперимент. Был испытан на стенде серийный двигатель ВАЗ 21083. После чего его разобрали, все детали КШМ тщательно подогнали по весу. Отбалансировали колен. вал и шатуны (шатуны балансируются на специальном приспособлении, позволяющем развесить шатуны так, чтобы центр масс у всех находился в одной точке). После повторных испытаний на стенде мы не заметили прибавки мощности. Можно себя успокаивать тем, что хуже не будет.Для уменьшения потерь на трение в наши гоночные моторы мы устанавливаем новые поршни со значительно уменьшенной площадью юбки, одним компрессионным кольцом, высотой 1.2мм. и сборным маслосъемным кольцом высотой 2мм. Также используем специально изготовленные шатуны Н-образного сечения, которые длинней серийного 2108 на 12 мм. и намного жестче и легче.

Для уменьшения трения в шейках колен.вала, необходимо хонингованием увеличить на 0.02мм.(от номинального вазовского размера) внутренний диаметр нижней головки шатуна и постелей колен.вала. Падение давления масла при этом не происходит. Также необходимо проконтролировать легкость вращения распред.вала.При наполнение цилиндров воздухом возникает перепад давлений между цилиндрами двигателя и атмосферой. Двигатель в этой части цикла работает как насос и на его привод расходуется часть мощности. Чем меньше аэродинамическое сопротивление впускной системы, тем меньше потери энергии. Следовательно уменьшение сопротивления в головке приводит не только к увеличению наполнения, но и к уменьшению насосных потерь. Таким же образом благотворно сказывается установка распред.валов с более широкими фазами.Уровень масла в поддоне серийного двигателе находится в непосредственной близости от вращающегося колен.вала. При боковых и линейных ускорениях автомобиля масло попадает на противовесы и шейки колен.вала и тормозит его вращение. Применение системы "сухой картер", когда масло откачивается из поддона в отдельную емкость, позволяет увеличить мощность двигателя, особенно при высоких оборотах.Часть энергии двигателя используется на привод вспомогательного оборудования, такого как: привод механизма ГРМ, водяной насос, генератор и т.д. Для форсированных двигателей, используемых на высоких оборотах, целесообразно увеличить передаточное отношение привода водяного насоса и генератора. При установке кондиционера и гидроусилителя руля эффективная мощность двигателя снижается.

• Оптимизация процессов горения смеси.

Характеристики ДВС в конечном счете зависят от процессов происходящих в камере сгорания, где происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Перемешивание свежего заряда с остаточными газами, воспламенение смеси, протекание горения и потери теплоты зависят от конструкции камеры сгорания.

Конструкция камеры сгорания должна обеспечить перемешивание свежего заряда — для улучшения процессов сгорания, быть компактной — для уменьшения тепловых потерь и уменьшения вероятности возникновения детонации. Чем больше площадь поверхности камеры сгорания, тем больше тепла отводиться наружу и теряется, следовательно уменьшаться мощность. Чем на большее расстояние перемещается фронт пламени, тем больше вероятностью возникновения детонации потому, что увеличивается время контакта еще не воспламенившейся смеси с горящим зарядом.Большая часть объема в камере сгорания должна быть сконцентрирована около свечи. Во время движения поршня к ВМТ смесь выдавливается из зазора между головкой поршня и плоскостью головки в сторону свечи зажигания, при этом происходит интенсивное движение (турбулизация) заряда, что способствует лучшему сгоранию. Чем меньше зазор, тем меньше вероятность возникновения детонации, так как уменьшается общее количество смеси отдаленной от свечи зажигания. Правда при этом работа двигателя становится жестче, из-за более высокой скорости нарастания давления.

Не следует распиливать камеру сгорания со стороны свечи до размеров цилиндра, хотя при этом и происходит большая концентрация смеси в оптимальной зоне. Необходимо создать небольшую зону противодавления, препятствующую забрызгиванию свечи зажигания.

Полирование поверхности камеры сгорания и днища поршня, способствует некоторому уменьшению тепловых потерь (повышению относительного КПД), хотя в процессе длительной работы двигателя они покрываются нагаром.

www.drive2.ru

Методы форсирования двигателя внутреннего сгорания

Сущecтвуeт нecкoлькo мeтoдoв увeличeния мoщнocти двигaтeля. Рaccкaжeм o нeкoтopых из них…

Дopaбoткa ГБЦ, oптимизaция пpoцeccoв гopeния cмecи.

Хapaктepиcтики ДВС зaвиcят oт пpoцeccoв пpoиcхoдящих в кaмepe cгopaния, гдe тeплoвaя энepгия пpeoбpaзуeтcя в мeхaничecкую paбoту. Пepeмeшивaниe cвeжeгo зapядa c ocтaтoчными гaзaми, вocплaмeнeниe cмecи, пpoтeкaниe гopeния и пoтepи тeплoты зaвиcят oт кoнcтpукции кaмepы cгopaния. Измeнeниe кoнcтpукции кaмepы cгopaния и пoлиpoвaниe eё пoвepхнocти cпocoбcтвуют пoвышeнию КПД. К этим paбoтaм oтнocятcя: увeличeниe пpoхoднoгo ceчeния ГБЦ, увeличeниe впуcкных и выпуcкных кaнaлoв, coвмeщeниe кoллeктopoв c кaнaлaми гoлoвки, oбpaбoткa клaпaнoв и кaмepы cгopaния.

Зaмeнa pacпpeдвaлa.

Одним из нaибoлee эффeктивных cпocoбoв увeличeния мoщнocти двигaтeля, нe измeняя eгo paбoчий oбъeм, являeтcя уcтaнoвкa cпeциaльнoгo pacпpeдвaлa. Фopcиpoвaть двигaтeль мeтoдoм зaмeны pacпpeдвaлa – знaчит мeнять «хapaктep» aвтoмoбиля. Уcтaнaвливaeмый pacпpeдвaл пoзвoляeт измeнить ocнoвнoй paбoчий диaпaзoн мoщнocти двигaтeля для бoльшeгo cooтвeтcтвия уcлoвиям, в кoтopых чaщe вceгo экcплуaтиpуeтcя aвтмoбиль.

Увeличeниe paбoчeгo oбъeмa двигaтeля.

Увeличить paбoчий oбъeм двигaтeля мoжнo зaмeнив кoлeнвaл нa дpугoй c бoльшим хoдoм, увeличив диaмeтp цилиндpa или тo и дpугoe oднoвpeмeннo. Нe нaдo зaбывaть, чтo пpи измeнeнии oбъeмa двигaтeля, нeoбхoдимo увeличить oбъeм кaмepы cгopaния - для кoмпeнcaции увeличeния oбъeмa цилиндpa.

Увeличeниe cтeпeни cжaтия.

Увeличeниe cтeпeни cжaтия (cтeпeни pacшиpeния) являeтcя эффeктивным cпocoбoм пoвышeния КПД двигaтeля. Стeпeнь cжaтия зaвиcит oт фaз гaзopacпpeдeлeния (зaпaздывaния зaкpытия впуcкнoгo клaпaнa) и углa oткpытия дpocceльнoй зacлoнки. Уcтaнoвкa нa двигaтeль мoдифициpoвaннoгo pacпpeдвaлa c шиpoкими фaзaми пoзвoляeт нecкoлькo увeличить гeoмeтpичecкую cтeпeнь cжaтия. Пoвышeниe cтeпeни cжaтия c пepeхoдoм нa бeнзин c бoлee выcoким oктaнoвым чиcлoм пpивoдит к увeличeнию мoщнocти вo вceм диaпaзoнe oбopoтoв.

Увeличeниe нaпoлнeния цилиндpoв.

Увeличeниe кoэффициeнтa нaпoлнeния цилиндpoв являeтcя oчeнь эффeктивным cпocoбoм пoвышeния мoщнocти двигaтeля. Мaкcимaльный кoэффициeнт нaпoлнeния cepийнoгo двигaтeля ВАЗ 21083 пpимepнo paвeн 0,75. Пpи пpaвильнoй нacтpoйкe двигaтeля c низким coпpoтивлeниeм впуcкнoй cиcтeмы, мoжнo дoбитьcя пoкaзaтeлeй кoэффициeнтa нaпoлнeния вышe 1 (eдиницы). Для увeличeния кoэффициeнтa нaпoлнeния нeoбхoдимo cнизить aэpoдинaмичecкoe coпpoт

novosti-n.org

Как форсировать двигатель. Введение. — DRIVE2

В наше время при росте цен на топливо все равно находятся энтузиасты, которые стремятся создать форсированные двигатели. Для увеличения мощности необходимо дополнительное топливо, и чем быстрее ездит автомобиль, тем больше топлива ему требуется.Вместе с тем мощность и экономичность не всегда являются взаимоисключающими понятиями. При правильно подобранных деталях и тщательной регулировке можно улучшить и характеристики, и топливную эффективность двигателя.Автомобильные конструкции полны различных компромиссов. Автомобильные инженеры должны учитывать большие допуски в процессе изготовления узлов, технологические возможности, нужное октановое число топлива, образование нагара, износ, отсутствие необходимого и регулярного обслуживания, и, в тоже время, добиваться по возможности невысокой цены узла.Стандартные легковые и небольшие грузовые автомобили сконструированы как баланс между ежедневными поездками на небольшие расстояния внутри города и движением с высокой скоростью по шоссе. Двигатели и трансмиссии оптимизируются в основном для работы в области низких и средних оборотов, а не в области высоких оборотов.Двигатели можно представить себе как воздушные насосы, которые смешивают топливо и воздух и выдают мощность в результате процесса сгорания. Если можно сделать что-то, что увеличивает поток воздуха через двигатель (предполагается, что топливная система способна поставлять достаточно топлива в нужных пропорциях), то мощность двигателя увеличивается. Другими путями увеличения мощности и/или экономичности двигателя является уменьшение веса, трения и нагрузки.Каждый двигатель конструируетсядля работы с наибольшей активностью в определенной области оборотов. Длина и диаметр входных и выходных каналов, впускных и выпускных коллекторов помогают определить диапазон мощности двигателя. Длинные и с небольшими диаметрами выпускные и впускные коллекторы улучшают крутящий момент на нужных оборотах и уменьшают мощность на высоких оборотах. И наоборот, короткие каналы с большими сечениями улучшают мощность на высоких оборотах.Тип и пропускная способность впускной и выпускной систем, конструкция распределительного вала, клапанные пружины и толкатели клапанов, система зажигания, головки блоков цилиндров, диаметры клапанов, соотношение диаметр цилиндра/ход поршня подбираются на заводе для обеспечения хорошей комбинации экономичности, мощности, приемистости и низкой концентрации выхлопных газов. Кроме этого, характеристики трансмиссии, передаточное число главной передачи и диаметр шин тоже должны согласовываться с движением и его характеристиками.Для движения в городском режиме более подходит высокий крутящий момент в области низких и средних оборотов (более экономичен) чем теоретическая максимальная мощность при высоких оборотах. Двигатели для городской езды, которые выдают высокие крутящий момент в широкой области оборотов, обеспечивают более равномерную мощность при разгоне автомобиля с переключением передач, чем двигатели, которые выдают высокую максимальную мощность в узком диапазоне оборотов.Тяжелые автомобили с относительно небольшими двигателями должны иметь более высокие передаточные числа трансмиссии, чем легкие автомобили с относительно большими двигателями Также двигатель в тяжелом автомобиле должен быть оптимизирован для получения максимального крутящего момента в области низких н средних оборотов, так как он обеспечивает больший крутящий момент для движения и разгона автомобиля.Новые легковые автомобили и грузовики имеют низкие передаточные числа главной передачи, гидротрансформаторы с блокировкой п большее число передач в КПП для обеспечения большого пробега н приемистости двигателя. Одним из лучших путей для одновременного улучшения характеристик и экономичности на старых автомобилях является установка КПП с большим числом передних передач и дифференциала с отличным от стандартного передаточным числом. Довольно часто подходят детали от автомобиля более поздних выпусков.Большинство гоночных двигателей работают в узком диапазоне высоких оборотов и не нуждаются в экономичности и высоком крутящем моменте на низких оборотах. Многие изготовители подобных двигателей поддаются искушению установить специальный "гоночный" распредвал или большой карбюратор на обычный двигатель. Это увеличивает теоретическую емкость воздушного потока, не изменяя характеристик по потоку других деталей. Так как детали не подобраны друг к другу, скорость поступающего воздуха снизится, и топливо не будет правильно смешиваться с воздухом. Двигатель больше не будет работать в оптимальном диапазоне оборотов. Это приведет к «захлебыванию» двигателя.Крутящий момент, измеренный в ньютонах на метр (н*м), килограмм-силах на метр (кгс*м) является мерой крутящей силы, выдаваемой днигателем. Мощность является мерой работы (энергии), вырабатываемой двигателем.Двигатели выдают наибольшую мощность от данного количества топлива при своем максимальном крутящем моменте. Это соответствует оптимальным оборотам, заложенным в конструкцию двигателя. Максимальная мощность достигается при раскручивании двигателя до оборотов, превышающих наиболее эффективные. Максимальный крутящий момент всегда достигается при меньших оборотах, чем для максимальной мощности. Мощность повышается, когда прирост полученный от увеличения оборотов, сбалансирован с потерями, вызванными работой с оборотами превышающими оптимальные, на которые настраиваются детали двигателя.Можно кое-что сказать о двигателе по данным о его мощности. На форсированном двнгателе максимальная мощность обычно будет выше, чем максимальный крутящий момент, а максимальная мощность будет достигаться при относительно высоких оборотах. Как правило, форсированные двигатели выдают примерно I л. с. на 16,0 см3. К примеру, стандартный гипотетический двигатель может иметь 4916 см3 рабочего объема, максимальный крутящий момент 373 н*м при 3000 об/мин и мощность 200 л. с. при 4200 об/мин. Форсированная версия двигателя с таким же рабочим объемом может иметь крутящий момент 330 н*м при 3800 об/мин и мощность 325 л. с. при 5600 об/мин.Перед подбором деталей для модификации двигателя нужно реально представить себе, чего вы хотите добиться. Перед началом работ двигатель должен быть в хорошем состоянии, иначе он скоро сам выйдет из строя. Тщательно проверьте состояние двигателя. При необходимости произведите ремонт, можно вносить модификации при ремонте, что обойдется дешевле, чем делать это отдельно. Определите, какие мощность и крутящий момент у вашего стандартного двигателя, и при каком числе оборотов достигается их максимальное значение. Затем определите, при каких оборотах работает двигатель при движении автомобиля по шоссе и какая передача включена. Если на вашем автомобиле нет тахометра, временно подсоедините отдельный тахометр с помощью длинных проводов, чтобы тахометр можно было протянуть в салон. Для определения передаточного числа главной передачи прочтите табличку на ведущем мосту.

Специальные «чипы» предназначены для автомобилей, управляемых компьютером.

Длинноходпые коленвалы и поршни увеличенного размера могут повысить крутящий момент и мощность путем увеличения рабочего объема цилиндров.

После выяснения этих данных можно определить способы модификации. Вообще говоря, если вы модифицируете автомобиль так, чтобы он работал при более высоких оборотах и/или добиваетесь большого увеличения мощности, то будьте готовы пожертвовать значительной долей топливной экономичности и надежности.Некоторыми из наиболее популярных путей увеличения мощности двигателя является турбонаддув, впрыск окиси азота или установка другого двигателя. Каждому из этих методов посвящена специальная литература, и подробный их обзор не входит в задачу данного издания.В зависимости от модели и года выпуска автомобиля можно добиться заметных улучшений в его работе с помощью тщательной настройки, изменением передаточного числа, типа шин, модификации впускных и выпускных коллекторов, замены распредвала и совершенствованием системы зажигания. Старые автомобили довольно чувствительны к таким изменениям, которые должны быть тщательно спланированы и согласованы. Новые управляемые компьютером модели уже имеют многие из этих изменений, и такие двигатели имеют лучшие характеристики, чем их предшественники. Автомобили так чувствительны к изменениям, что даже изменение диаметра шин может повлиять на приемистость их двигателя.Существует очень мало модификаций, которые могут быть сделаны на автомобиле с компьютерным управлением без ухудшения характеристик выхлопных газов. Некоторые специализированные фирмы выпускают впускные коллекторы, распределительные валы, выпускные системы и компьютерные "чипы", которые могут увеличить мощность двигателей современных автомобилей. При покупке внимательно читайте инструкции и определите применимость компьютера к модифицируемому двигателю.Если вы планируете ремонтировать свой двигатель, то можете сделать при ремонте некоторые модификации. Когда двигатель разобран, можно легко заменить головки блока цилиндров, поршни, шатуны, коленвал и распредвал. Модифицированные головки блока цилиндров могут обеспечить заметное увеличение мощности на высоких оборотах. Для двигателей, работающих в "мягком" режиме качественная обработка клапанов под тремя углами и подбор впускных каналов к выпускному коллектору улучшат работу двигателя без ухудшения его приемистости и надежности. Более старые двигатели могут быть улучшены путем добавления упрочненных седел клапанов и специальных клапанов, что позволяет двигателю работать, на малоэтнлированном и неэтилированном бензине. Поршни для высокой степени сжатия улучшают мощность и эффективность работы при всех оборотах, но если степень сжатия превысит примерно 9:1, то необходимо топливо с высоким октановым числом. Поршни с плоским дном обеспечивают лучший фронт пламени в камере сгорания, чем поршни с выпуклым (вогнутом) дном. Усиленные поршни жестче, чем литые, однако, литые поршни лучше работают в обычных условиях.Коленчатые валы с более длинным ходом поршня совместно с соответствующими шатунами и поршнями увеличенного размера могут увеличить мощность без ухудшения приемистости и крутящего моментa на низких оборотах. Однако если вы намериваетесь создать высокооборотистый двигатель, то этот способ вряд ли нам подойдет: длинноходные двигатели (с большим ходом поршня) могут ограничить потенциальную мощность на высоких оборотах.Перед сборкой двигателя обратитесь в мастерскую и отбалансируйте детали, — это поможет получить, дополнительную мощность, для которой не потребуется дополнительного топлива.Мы обсудим все "за" и "против" от замены различных деталей и влияния этой замены на другие части автомобиля. Обычно если вы заменяете одну деталь, вы также должны изменить или заменить другие детали, которые работают совместно с ними. Проверьте расход топлива, а также приемистость автомобиля с помощью секундомера до и после каждой модификации для определения ее эффективности. Для большей точности измерений проводите их в одинаковых условиях и на одной и той же дороге.В данной работе мы попытаемся ограничиться обсуждением модификации, которые можно сделать в домашних условиях за разумную цену без больших затрат времени.

www.drive2.ru

Методы форсирования двигателей

Не будем вдаваться глубоко в теорию. Рассмотрим практические методы повышения мощности двигателя:

1. Увеличение рабочего объема двигателя.

2. Увеличение степени сжатия.

3. Уменьшение механических потерь.

4. Оптимизация процессов горения смеси.

5. Увеличение наполнения цилиндров.

Рассмотрим каждый из перечисленных методов по отдельности.

• Увеличение рабочего объема двигателя.

Увеличить рабочий объем двигателя можно: заменив колен.вал на другой с большим ходом, увеличив диаметр цилиндра или то и другое одновременно. Не надо забывать, что при изменении объема двигателя, необходимо увеличить объем камеры сгорания - для компенсации увеличения объема цилиндра.

Для ВАЗовских двигателей, используемых на заднеприводных автомобилях существуют колен.валы с ходом 66, 80, 84, 86, 88 мм.

Для ВАЗовских двигателей, используемых на переднеприводных автомобилях существуют колен.валы с ходом 60.6, 71, 74.8, 75.6, 78, 80, 84 мм.

При установке колен.вала с большим ходом необходимо доработать (либо заменить) шатуны или поршни.

В любом случае повышение объема приводит к падению общего КПД двигателя.

• Увеличение степени сжатия.

Термический КПД

Увеличение степени сжатия (степени расширения) является эффективным способом повышения КПД двигателя.

Геометрический объем камеры сгорания складывается из:

— объемы камеры сгорания в головке

— объемы в прокладке

— объемы созданный не доходом поршня до плоскости разьема (если есть)

— объем выборки в поршне

Степень сжатия зависит от фаз газораспределения (запаздывания закрытия впускного клапана) и угла открытия дроссельной заслонки. Так, на серийных двигателях угол зажигания при частичных нагрузках превышает 40 градусов. Это возможно благодаря низкому наполнению цилиндров и как следствию понижению степени сжатия. Чем выше наполнение, тем выше степень сжатия. Существует понятие - динамическая степень сжатия. У большинства двигателей, дорожных и гоночных, динамическая степень сжатия находится в диапазоне от 7 до 10 и зависит от октанового числа используемого бензина. Очень высокая геометрическая степень сжатия спортивных двигателей в первую очередь объясняется применением распред. валов с широкими фазами. Установка на двигатель модифицированного распред. вала с широкими фазами позволяет несколько увеличить геометрическую степень сжатия. Повышение степени сжатия с переходом на бензин с более высоким октановым числом приводит к увеличению мощности во всем диапазоне оборотов.

• Уменьшение механических потерь.

Механические потери двигателя складываются из:

— Потери на трение.

— Насосные потери.

— Потери на привод вспомогательного оборудования.

Для уменьшения потерь на трение в паре поршень - цилиндр, необходимо использовать сборные маслосъемные кольца, также целесообразно несколько увеличить зазор между поршнем и цилиндром. Облегчение шатуна, особенно верхней головки, уменьшает боковое давление на поршень, с этой же целью нужно использовать по возможности более длинный шатун, что благоприятно скажется на уменьшении потерь на трение. Теоретически необходимо подогнать по весу и отбалансировать все детали КШМ.

Для уменьшения потерь на трение в наши гоночные моторы мы устанавливаем новые поршни со значительно уменьшенной площадью юбки, одним компрессионным кольцом, высотой 1.2мм. и сборным маслосъемным кольцом высотой 2мм. Также используем специально изготовленные шатуны Н-образного сечения, которые длинней серийного 2108 на 12 мм. и намного жестче и легче.

При наполнение цилиндров воздухом возникает перепад давлений между цилиндрами двигателя и атмосферой. Двигатель в этой части цикла работает как насос и на его привод расходуется часть мощности. Чем меньше аэродинамическое сопротивление впускной системы, тем меньше потери энергии. Следовательно уменьшение сопротивления в головке приводит не только к увеличению наполнения, но и к уменьшению насосных потерь. Таким же образом благотворно сказывается установка распред.валов с более широкими фазами.

Уровень масла в поддоне серийного двигателе находится в непосредственной близости от вращающегося колен.вала. При боковых и линейных ускорениях автомобиля масло попадает на противовесы и шейки колен.вала и тормозит его вращение. Применение системы "сухой картер", когда масло откачивается из поддона в отдельную емкость, позволяет увеличить мощность двигателя, особенно при высоких оборотах.

Часть энергии двигателя используется на привод вспомогательного оборудования, такого как: привод механизма ГРМ, водяной насос, генератор и т.д. Для форсированных двигателей, используемых на высоких оборотах, целесообразно увеличить передаточное отношение привода водяного насоса и генератора. При установке кондиционера и гидроусилителя руля эффективная мощность двигателя снижается.

• Оптимизация процессов горения смеси.

Конструкция камеры сгорания должна обеспечить перемешивание свежего заряда - для улучшения процессов сгорания, быть компактной - для уменьшения тепловых потерь и уменьшения вероятности возникновения детонации. Чем больше площадь поверхности камеры сгорания, тем больше тепла отводиться наружу и теряется, следовательно уменьшаться мощность. Чем на большее расстояние перемещается фронт пламени, тем больше вероятностью возникновения детонации потому, что увеличивается время контакта еще не воспламенившейся смеси с горящим зарядом.

Большая часть объема в камере сгорания должна быть сконцентрирована около свечи. Во время движения поршня к ВМТ смесь выдавливается из зазора между головкой поршня и плоскостью головки в сторону свечи зажигания, при этом происходит интенсивное движение (турбулизация) заряда, что способствует лучшему сгоранию. Чем меньше зазор, тем меньше вероятность возникновения детонации, так как уменьшается общее количество смеси отдаленной от свечи зажигания. Правда при этом работа двигателя становится жестче, из-за более высокой скорости нарастания давления.

• Увеличение наполнения цилиндров.

Увеличение коэффициента наполнения цилиндров является очень эффективным способом повышения мощности двигателя. Максимальный коэффициент наполнения серийного двигателя ВАЗ 21083 примерно равен 0,75. При правильной настройке двигателя с низким сопротивлением впускной системы, можно добиться показателей коэффициента наполнения выше 1 (единицы). Для увеличения коэффициента наполнения необходимо снизить аэродинамическое сопротивление во впускной и выпускной системах и каналах головки двигателя. Для достижения этой цели устанавливаются и настраиваются новые впускная и выпускная системы.

Понравился наш сайт? Присоединяйтесь или подпишитесь (на почту будут приходить уведомления о новых темах) на наш канал в МирТесен!

4kolesa.mirtesen.ru

МЕТОДЫ ФОРСИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ — бортжурнал FIAT Punto HGT Abarth Scorpion 2002 года на DRIVE2

Наткнулся на интересную статью! Советую прочитать ;-)

Не будем вдаваться глубоко в теорию. Рассмотрим практические методы повышения мощности двигателя:

1 Увеличение рабочего объема двигателя.2 Увеличение степени сжатия.3 Уменьшение механических потерь.4 Оптимизация процессов горения смеси.5 Увеличение наполнения цилиндров.

Рассмотрим каждый из перечисленных методов по отдельности.

Увеличение рабочего объема двигателя.

Изменение внешней скоростной характеристики серийного двигателя ВАЗ 21083 при замене колен.вала с ходом 71.0 на колен.вал с ходом 74.8

Увеличение степени сжатия.

Термический КПД

Увеличение степени сжатия (степени расширения) является эффективным способом повышения КПД двигателя. Геометрическая степень сжатия рассчитывается по формуле:

Геометрический объем камеры сгорания складывается из:

При работе двигателя, особенно на высоких оборотах, геометрический объем камеры сгорания уменьшается. Это происходит из-за: выбирания зазоров, термического расширения поршня, динамического удлинения шатуна. Так, на гоночном безпрокладочном моторе при сборке поршень не доходил до плоскости головки 0.85мм. После эксплуатации двигателя на 9000 об.мин на поршне и плоскости головки присутствовали явные следы контакта.Степень сжатия зависит от фаз газораспределения (запаздывания закрытия впускного клапана) и угла открытия дроссельной заслонки. Так, на серийных двигателях угол зажигания при частичных нагрузках превышает 40 градусов. Это возможно благодаря низкому наполнению цилиндров и как следствию понижению степени сжатия. Чем выше наполнение, тем выше степень сжатия. Существует понятие — динамическая степень сжатия. У большинства двигателей, дорожных и гоночных, динамическая степень сжатия находится в диапазоне от 7 до 10 и зависит от октанового числа используемого бензина. Очень высокая геометрическая степень сжатия спортивных двигателей в первую очередь объясняется применением распред. валов с широкими фазами. Установка на двигатель модифицированного распред. вала с широкими фазами позволяет несколько увеличить геометрическую степень сжатия. Повышение степени сжатия с переходом на бензин с более высоким октановым числом приводит к увеличению мощности во всем диапазоне оборотов.

Уменьшение механических потерь.

Механический КПД

Механические потери двигателя складываются из:Потери на трение.Насосные потери.Потери на привод вспомогательного оборудования.

При превышении средней скорости поршня выше 20 м./сек. резко возрастают потери на трение и нагрузки на детали КШМ. Поэтому на высокофорсированных двигателях для увеличения механического КПД необходимо уменьшать ход поршня.Для уменьшения потерь на трение в паре поршень — цилиндр, необходимо использовать сборные маслосъемные кольца, также целесообразно несколько увеличить зазор между поршнем и цилиндром. Облегчение шатуна, особенно верхней головки, уменьшает боковое давление на поршень, с этой же целью нужно использовать по возможности более длинный шатун, что благоприятно скажется на уменьшении потерь на трение. Теоретически необходимо подогнать по весу и отбалансировать все детали КШМ.Нами был произведен эксперимент. Был испытан на стенде серийный двигатель ВАЗ 21083. После чего его разобрали, все детали КШМ тщательно подогнали по весу. Отбалансировали колен. вал и шатуны (шатуны балансируются на специальном приспособлении, позволяющем развесить шатуны так, чтобы центр масс у всех находился в одной точке). После повторных испытаний на стенде мы не заметили прибавки мощности. Можно себя успокаивать тем, что хуже не будет.Для уменьшения потерь на трение в наши гоночные моторы мы устанавливаем новые поршни со значительно уменьшенной площадью юбки, одним компрессионным кольцом, высотой 1.2мм. и сборным маслосъемным кольцом высотой 2мм. Также используем специально изготовленные шатуны Н-образного сечения, которые длинней серийного 2108 на 12 мм. и намного жестче и легче.

Оптимизация процессов горения смеси.

Увеличение наполнения цилиндров.

Увеличение коэффициента наполнения цилиндров (объемного КПД) является самым эффективным способом повышения мощности двигателя. Все остальные мероприятия, весьма трудоемкие и дорогостоящие приводят к не очень высоким результатам.Максимальный коэффициент наполнения серийного двигателя ВАЗ 21083 примерно равен 75%. То есть в двигатель попадает количество воздуха равное 75% от общего объема цилиндров. На лучших гоночных атмосферных двигателях (двигатели без наддува) коэффициент наполнения достигает 115-125%. При правильной настройке двигателя с низким сопротивлением впускной системы, можно добиться показателей коэффициента наполнения выше 100%.Коэффициент наполнения меняется при разных режимах работы двигателя и достигает своего максимального значения при благоприятном перепаде давлений в цилиндре, впускной и выпускной системах в узком диапазоне оборотов, близком к оборотам максимального крутящего момента.При работе двигателя во впускной и выпускной системах происходят волновые процессы, их свойства зависят от многих причин: геометрических размеров и аэродинамического сопротивления впускной и выпускной систем, фаз газораспределения, оборотов двигателя и других факторов. С изменением режимов работы двигателя форма, частота и амплитуда волн меняются.

Перепады давлений в серийном двигателе ВАЗ 21212 при работе с полностью открытой дроссельной заслонкой, на 3000 об/мин. и 6000 об/мин.

Для повышения максимальной мощности необходимо создать условия, при которых наибольший коэффициент наполнения сдвинется на более высокие обороты. Например, если на двигателе ВАЗ 21083 мы повышаем коэффициент наполнения до 100% на 3000 об./мин., то мощность возрастает с 48 до 62 — на 14 л.с., а если на 6000 об./мин. до тех же 100%, то мощность возрастает с 67 до 133 — на 66 л.с.

Увеличение оборотов максимальной мощности для повышения КПД атмосферного двигателя является неизбежным, так как коэффициент наполнения невозможно увеличить выше определенного числа, но можно поднять обороты при которых достигается его максимальное значение. При этом происходит увеличение отдачи энергии за единицу времени. Именно этим объясняются высокие обороты двигателей формулы 1 (17000-18000 об.мин).

Для увеличения коэффициента наполнения также необходимо снизить аэродинамическое сопротивление во впускной и выпускной системах и каналах головки двигателя. Самое высокое сопротивление возникает в районе клапанной щели. Модификации именно этой части газовых каналов нужно уделять особое внимание. Скорость воздуха во впускной системе не должна превышать 50-70 м/с. Для увеличения оборотов двигателя необходимо увеличить проходные сечения газовых каналов и в первую очередь диаметры тарелок клапанов. Это позволит увеличить обороты максимальной мощности и сделать перегиб кривой более плавным. Но при этом может наблюдаться некоторое падение мощности на малых и средних оборотах. Это объясняется тем, что при этих режимах скорость воздуха недостаточно высока.

Изменение внешней скоростной характеристики спортивного двигателя ВАЗ 21083 1.6 группа А, SOLEX 24x26, при замене клапанов с диаметров тарелок 31.5 и 37 на диаметры 34 и 39

Установка на двигатель многодроссельной системы с индивидуальной впускной трубой на каждый цилиндр позволяет значительно повысить мощность, но только в том случае если перекрытие клапанов достигает существенной величины. (перекрытие — это одинаковая высота открытия впускного и выпускного клапана в ВМТ- на серийных распред.валах 0.2 — 0.8 мм, на спортивных 3 — 5 мм.)

Изменение внешней скоростной характеристики серийного двигателя ВАЗ 21083 1.5 , при установке карбюраторов WEBER 40 DCOE. Прибавка мощности 8 л.с.

Изменение внешней скоростной характеристики спортивного двигателя ВАЗ 21083 1.6 группа А, при установке карбюраторов WEBER 45 DCOE. Прибавка мощности 33 л.с.

Установка спортивной выпускной системы также дает эффект только при высоком перекрытии клапанов. Так, установка "паука" на серийный двигатель может повысить мощность максимум на 2-3 л.с. Это обусловлено принципом работы настроенной выпускной системы. В первый момент после открытия выпускного клапана, отработавшие газы устремляются в выпускную трубу со скоростью превышающею скорость звука. Быстрое удаление первой части отработавших газов создает в выпускной трубе низкое давление. При достижении звуковой волной первого резкого увеличения диаметра выпускной системы (как правила резонатора) давление в системе повышается. Это создает первую волну, после чего колебательный процесс продолжается с уменьшающейся амплитудой.Если впускной клапан открывается в тот момент, когда в выпуске давление ниже чем во впускном канале, то дополнительное разрежение способствует увеличению наполнения. При этом часть свежей смеси высасывается в выпускной канал. При благоприятных условиях эта часть заряда выталкивается обратно в цилиндр зоной повышенного давления перед самым закрытием выпускного клапана. Чем выше высота перекрытия клапанов, тем более ярко выражен этот процесс.

К сожалению это происходит в узком диапазоне оборотов зависящем от геометрии впускной, выпускной систем и фаз газораспределения.

В остальных режимах работы двигателя может происходит обратный процесс, когда зона повышенного давления в выпуске в момент перекрытия мешает поступлению свежего заряда.Именно поэтому такие выпускные системы называются настроенными. (Настроенными на узкий диапазон оборотов)

Изменение размеров выпускной системы, а также конструкции и месторасположения резонатора, оказывает огромное значение на характеристику форсированного двигателя.

Двигатель чувствует изменения длины любой части "паука" на 20 мм. и диаметра на 1мм.

Изменение внешней скоростной характеристики при использовании различных конфигураций выпускной системы. Двигатель ВАЗ 2112 1500 головка серийная, низ серийный, модифицированные распред. валы (перекрытие 2.8 мм.) четырех дроссельный впуск SVR.

Рабочая температура спортивного двигателя не должна превышать 75-80 градусов. При такой температуре достигается максимальное наполнение и уменьшается вероятность детонации. На стендовых испытаниях при увеличении температуры охлаждающей жидкости с 70 до 95 градусов наблюдается падение максимальной мощности на 4-6%. Для поддержания низкой температуры двигателя на спортивные автомобили необходимо устанавливать масляные радиаторы, а также водяные радиаторы с повышенной площадью.

При значительном увеличение оборотов и мощности двигателя существенно возрастают нагрузки на его детали. В первую очередь это относится к клапанам, колен.валу, поршням, шатунам и шатунным болтам. Также увеличение давления в цилиндрах двигателя повышает требования к уплотнению разъема между блоком и головкой. Поэтому в высокофорсированных спортивных двигателях необходимо использовать специально изготовленные высококачественные комплектующие.Для уплотнения разъема головки и блока рекомендуется использовать так называемую безпрокладочную конструкцию. В блоке фрезеруются канавки, в которые вставляются пассики из специальной термостойкой резины. Головка притягивается с моментом 6 кгм. Такая конструкция намного жестче чем с серийной прокладкой и имеет более высокую теплоотдачу, устойчивость к разрушению от детонации и перегрева двигателя.

SVR CONVERSIONSоригинал статьи

www.drive2.ru

Методы форсирования двигателя — КиберПедия

Мощность двигателя можно повышать экстенсивно, увеличи-вая рабочий объем цилиндра Vh или число цилиндров /, однакопри этом возрастают габаритные размеры и масса двигателя. Ме-роприятия по интенсивному повышению мощности оцениваютлитровой мощностью Nn, которая представляет собой отношениеноминальной эффективной мощности Neном к рабочему объемудвигателя: Nn = NeH0J(iVh)= реп/{ЗОх).

Nn — мощность, получаемая с единицы рабочего объема. Призаданной номинальной мощности большая литровая мощностьобеспечивает снижение рабочего объема и, следовательно, умень-шение габаритных размеров и массы двигателя.

Комплекс технических мероприятий, направленных на повы-шение литровой мощности, называют форсированием двигателя.

Из определения Nn следует, что принципиально возможнофорсировать ДВС тремя способами: увеличением номинальнойчастоты вращения лном или среднего эффективного давления ре,переходом с четырехтактного рабочего процесса на двухтактный.

Увеличение Nn путем повышения номинальной частоты враще-ния яном широко применяется в двигателях с искровым зажигани-ем. В дизелях такое повышение затруднено из-за сравнительно боль-шой массы подвижных элементов кривошипно-шатунного меха-пизма, больших механических нагрузок, трудностей с организа-цией процессов смесеобразования и сгорания при малом време-ни, отводимом на их реализацию. Кроме того, при повышениичистоты вращения возрастают внутренние потери и, следователь-но, ухудшается экономичность двигателя.

Номинальная частота вращения современных двигателей с ис-кровым зажиганием достигает 6500 мин-1, дизелей грузовых автомо-билей — 2600 мин"1, а дизелей легковых автомобилей — 5500 мин-1.Эго предопределяет большую литровую мощность двигателей сискровым зажиганием (в 2...3 раза по сравнению с дизелями безнаддува).

Теоретически переход с четырехтактного рабочего цикла на двух-тактный должен повысить литровую мощность в два раза. Однакореально /^увеличивается в 1,5... 1,7 раза. Это связано с тем, чточасть рабочего объема двигателя используется на организациюпроцессов газообмена (в нижней части цилиндра расположены„окна для газообмена), снижается качество очистки и наполненияцилиндров, часть горючей смеси теряется в период их продувки,а также требуются дополнительные затраты энергии на приводпродувочного насоса. Поэтому у двухтактных двигателей эконо-мические показатели хуже, чем у четырехтактных.

Кроме того, двухтактный двигатель имеет большую тепловуюнапряженность элементов, формирующих камеру сгорания, из-затого, что количество теплоты, подводимой в единицу времени, внем в два раза больше, чем у четырехтактного.

Форсирование двигателей возможно по среднему эффективномудавлению ре. Для этого необходимо увеличить цикловую подачутоплива и количество воздуха, подаваемого в цилиндр под давле-нием за счет повышения его плотности. Такой способ повышенияNj, называется наддувом.

Различают четыре основные типа наддува: динамический (резо-нансный), наддув от приводного компрессора, газотурбинный икомбинированный.

Наддув с механическим приводом компрессора от коленчатого вала(рис. 1.5, а) позволяет хорошо согласовать работу компрессора стяговыми характеристиками двигателя. Он обычно используетсядля кратковременного повышения мощности ДВС за счет невысо-кой степени наддува. Однако применение такого наддува вызыва-ет существенное снижение экономичности двигателя, что обус-ловлено затратами энергии на привод компрессора.

Газотурбинный наддув (рис. 1.5, б) получил наиболее широкоераспространение в современных двигателях. Для привода центро-бежного компрессора 1 используется часть энергии отработавшихгазов, поступающих на лопатки газовой турбины 2. Агрегат, объ-единяющий газовую турбину и компрессор, называют турбоком-прессором.

Рис. 1.5 Схемы наддува двигателя: Л — с приводным компрессором, б — с газотурбинным наддувом; 1 — компрес- сор, 2 — турбина

При газотурбинном наддуве возможны два способа использо-вания энергии отработавших газов: при постоянном давлении пе-ред турбиной — отработавшие газы поступают в ресивер, а затемпри постоянном давлении подаются на турбину; импульсный над-дув — отработавшие газы подаются непосредственно на турбину.В этом случае используется не только потенциальная, но и кине-тическая энергия газов.

Импульсный наддув наиболее эффективен при малых значениях дав-ления наддува (рк< 0,15 МПа), когда энергия импульса оказываетсязначительно больше среднего значения давления. При больших значе-ниях/^ эффект от применения импульсного наддува уменьшается, апри рк > 0,4 МПа — практически отсутствует.

При газотурбинном наддуве механическая связь агрегата над-дува с коленчатым валом двигателя отсутствует, поэтому могутсущественно ухудшиться тяговые характеристики и приемистостьдвигателя из-за инерционности турбинного колеса. В связи со сни-жением энергии отработавших газов на малых нагрузках в началеразгона может не обеспечиваться подача в цилиндр требуемогоколичества свежего заряда. Эти недостатки могут быть устраненыпутем использования комбинированного наддува — последователь-ной комбинации наддува с приводным компрессором и газотур-бинного наддува.

Динамический (резонансный) наддув предполагает использованиеколебательных явлений в системе впуска и выпуска, возникаю-щих в результате циклического повторения процессов газообменав цилиндре. Принцип его заключается в создании зрны сжатиясвежего заряда перед впускным клапаном до момента его закры-тия, что обеспечивает увеличение массы поступающего в цилиндрзаряда. Кроме того, в выпускном трубопроводе во время перекры-тия клапанов за закрывающимся выпускным клапаном создаетсязона разрежения отработавших газов, что позволяет улучшить очи-стку цилиндра и полнее заполнить его свежим зарядом.

Конструктивно данная «настройка» системы осуществляетсяпутем изменения длины и площади проходного сечения впускныхи выпускных каналов. В ряде конструкций длина впускного трубо-провода изменяется в зависимости от режима работы двигателя.

Динамический наддув позволяет увеличить мощность двигате-ля на 5...10%.

Применение газотурбинного наддува обеспечивает увеличениемощности двигателя на 20... 50 %.

По мере повышения степени наддува увеличивается механи-ческая и тепловая напряженность элементов, формирующих ка-меры сгорания, что предъявляет повышенные требования к ихконструкции и материалам, к эффективности системы охлажде-ния и качеству используемого масла. Для повышения степени над-дува и снижения высокой тепловой напряженности лопаток тур-бины в системе наддува организуют охлаждение наддувочноговоздуха.

В двигателях с искровым зажиганием применение наддува тре-бует принятия специальных мер по предотвращению нарушенияпроцесса сгорания, называемого детонацией: некоторого сниже-ния степени сжатия, интенсификации охлаждения деталей каме-ры сгорания

cyberpedia.su

Проектирование картов Форсирование двигателей

Проектирование картов - Форсирование двигателей

Здесь не будет готовых рецептов по форсированию конкретных типов двигателей. Все двигатели разные, на разных шасси будут изменяться размеры отдельных элементов (например, выпускной системы), будут изменяться и характеристики. Поэтому, какие-то конкретные рецепты, в которых, тем не менее, останется немало белых пятен, могут привести лишь к бесполезной работе.

Будут рассмотрены, в частности, основы теории процессов, происходящих в двигателе, с особым упором на те вопросы, которые являются основными при форсировании двигателя. Конечно, в предлагаемой главе рассматриваются только те разделы теории, знание которых необходимо, чтобы начинающий поклонник картинга не испортил двигатель в стремлении выжать из него максимальную мощность. Приведены также общие рекомендации о том, в каких направлениях следует проводить доработки двигателя, чтобы добиться положительных результатов. Общие указания иллюстрируются примерами из практических работ по форсированию картинговых двигателей. Кроме того, приводится ряд замечаний и практических рекомендаций относительно, казалось бы, мелких изменений, внесение которых улучшит работу двигателя, повысит его надежность, избавит нас от порой дорогостоящей учебы на собственных ошибках.

Основные геометрические параметры двигателя: диаметр цилиндра и ход поршня. Эти параметры определяют рабочий объем цилиндра, вычисляемый как произведение площади его сечения на ход поршня.

Геометрические размеры двигателя определяют также степень сжатия двигателя. Однако надо разделить понятия геометрической и эффективной степеней сжатия.

Геометрическая степень сжатия ед — это отношение объема над поршнем при его положении в нижней мертвой точке (НМТ) к обкому камеры сгорания. А эффективная степень сжатия ee определяется отношением объема над поршнем в момент открытия выпускного окна к объему камеры сгорания. Казалось бы, что логичнее пользоваться эффективной степенью сжатия, но определенные таким образом степени сжатия могут быть сравнимы для двигателей, у которых одинаковая фаза открытия выпускного окна. В литературе обычно приводится геометрическая степень сжатия. Для сравнения можно сказать, что в картинговых двигателях объемом 125 см1 геометрическая степень сжатия порядка 15, а соответствующая эффективная степень сжатия только 10—11.

Анализируя параметры двигателей, всегда надо знать, о какой степени сжатия идет речь. Если это эффективная степень сжатия, то необходимо учитывать, при каком угле открытия выпускного окна она получена. Практически же величина степени сжатия двухтактного двигателя является лишь ориентировочным параметром.

Основные параметры, характеризующие двигатель — мощность ^ кВт, и крутящий момент Мo. Эти величины связаны между собой соотношением:

где n — частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; Мo — крутящий момент, Н-м. Чаще всего приводятся данные, касающиеся максимальной мощности и крутящего момента с указанием частоты вращения, при которой они были получены (например, 20 кВт при 10 400 об/мин). Однако знание максимальной мощности двигателя и максимального крутящего момента немного говорит о динамических качествах карта, хотя и указывает на «форсированность» двигателя.

Рис. 9.1. Внешние скоростные характеристики двигателя

На динамические качества карта влияет форма внешней характеристики, т. е. форма кривой мощности и максимального момента как функции частоты вращения (рис. 9.1). Из рис. 9.1 видно, что кривые мощности и крутящего момента двигателя достигают максимума при разной частоте вращения: ЧВ при максимальной мощности значительно превышает ЧВ при максимальном моменте. В этом случае двигатель имеет широкий рабочий диапазон ЧВ. Величина этого диапазона имеет большое практическое значение.

Если двигатель работает при максимальной мощности и при этом возрастает сопротивление движению, ЧВ начнет уменьшаться и одновременно будет увеличиваться крутящий момент. Тем самым будет увеличиваться сила тяги, что позволит преодолеть возросшее сопротивление движению. Сила тяги уменьшится только тогда, когда ЧВ двигателя будет ниже ЧВ максимального момента. Это заставит водителя перейти на более низкую передачу.

Из этого следует, что чем больше рабочий диапазон ЧВ или чем меньше отношение ЧВ при максимальном моменте к ЧВ при максимальной мощности, тем реже надо будет переключать передачу. В результате этого можно будет использовать меньшее число передач.

Спортивные двигатели имеют несколько иные характеристики мощности и крутящего момента. ЧВ при максимальной мощности не намного больше ЧВ при максимальном моменте, поэтому диапазон ЧВ, в котором нет уменьшения силы тяги при увеличении сопротивления движению, невелик. Такой двигатель, чтобы полностью использовать его возможности, должен постоянно работать в узком диапазоне ЧВ, а этого можно добиться лишь путем использования многоступенчатой коробки передач. В гоночных мотоциклах иногда даже встречаются десятиступенчатые коробки передач.

Большое влияние на характеристики двигателя оказывает форма кривой крутящего момента. «Крутая» кривая момента выгоднее «пологой». Посмотрим еще раз на характеристику двигателя (см. рис. 9.1). При увеличении сопротивления движению машины ЧВ двигателя уменьшается и возрастет крутящий момент. Чем «круче» кривая момента, тем больше будет этот рост. Отсюда следует, что в двигателе с «крутой» характеристикой при увеличении сопротивления движению будет меньше падение ЧВ, чем в двигателе с «пологой» характеристикой.

Форма характеристики двигателя связана с числом передач. В многоступенчатом двигателе (например, шестиступенчатом) мы можем допустить довольно «пологую» характеристику момента и небольшой рабочий диапазон ЧВ. Если мы форсируем двигатель с небольшим числом передач (например, трехступенчатый), надо стремиться к получению «эластичного» двигателя с «крутой» кривой момента и значительным рабочим диапазоном ЧВ.

И, наконец, рассмотрим, какой из двигателей, характеристики которых показаны на рис. 9.2, лучше использовать с трехступенчатой коробкой передач. Двигатель А имеет наименьший крутящий момент во всем диапазоне ЧВ, характеристика у него довольно «пологая». Единственное достоинство этого двигателя — относительно большой рабочий диапазон ЧВ а, однако получаемый выигрыш не сможет компенсировать слишком маленький момент.

Двигатель ^ — «эластичный», кривая момента — «крутая», но у него мал рабочий диапазон ЧВ с, что, несмотря на значительные максимальные значения мощности и крутящего момента, стало бы серьезным препятствием в достижении хороших динамических качеств карта. Предположим, что карт с двигателем С проходит поворот на определенной передаче. Радиус поворота уменьшается, возрастающее сопротивление движению приводи! к падению ЧВ. ЧВ быстро упадет ниже ЧВ максимального момента (маленький с). У двигателя будет слишком маленький момент, чтобы преодолеть увеличившееся сопротивление движению, и слишком высокая ЧВ, чтобы переключить передачу на одну ступень вниз. Приходится ждать дальнейшего снижения скорости.

В двигателе В в аналогичной ситуации момент будет возрастать до тех пор, пока ЧВ не упадет до уровня, позволяющего переключить передачу. Это происходит благодаря значительному рабочему диапазону ЧВ в, но при меньшей «эластичности», чем у двигателя С, и при меньшем максимальном моменте. Из приведенного примера видно, что иногда лучше отказаться (в некоторой степени) от значительного форсирования двигателя в пользу увеличения рабочего диапазона ЧВ.

Фазы газораспределения выражаются углами поворота коленчатого вала, при которых открываются и закрываются соответствующие окна цилиндра. В двухтактном двигателе рассмотрим три фазы: открытия впускного окна, открытия выпускного окна и открытия перепускных окон (рис. 9.3).

Фазой открытия окна, например, выпускного, назовем угол поворота коленчатого вала, измеряемый с момента, когда верхний край поршня откроет выпускное окно, до момента, когда поршень, двигаясь обратно, закроет окно. Аналогично можно определить фазы открытия остальных окон.

Рис. 9.3. Диаграммы фаз газораспределения:

a -симметричная; б- несимметричная; OD и ZD — открытие и закрытие впуска. ОР и ZP- открытие и закрытие перепуска; OW и ZW -открытие и закрытие выпуска; a,у- углы открытия соответственно впускного и выпускного окон; B — угол открытия перепускных окон

Рис. 9.4. Сравнение время-сечений (площадь под кривыми) для окон разной формы

В обычном поршневом двигателе все окна открываются и закрываются поршнем, поэтому диаграмма фаз газораспределения симметрична (или почти симметрична) относительно вертикальной оси (рис. 9.3, а). В картинговых двигателях, в которых наполнение кривошипной камеры горючей смесью осуществляется с помощью вращающегося золотника, фаза впуска может не зависеть от движения поршня, поэтому диаграмма фаз газораспределения имеет обычно несимметричный вид (рис. 9.3, б).

Фазы газораспределения являются сравнимыми величинами для двигателей с разным ходом поршня, т. е. они служат универсальными характеристиками. При сравнении двигателей, имеющих одинаковый ход поршня, фазы газораспределения можно заменить расстояниями от окон, например, до верхней плоскости цилиндра.

Кроме фаз газораспределения важным параметром является так называемое время-сечение. При постепенно открываемом поршнем окне от формы канала зависит, как увеличивается открытая поверхность окна в зависимости от угла поворота коленчатого вала (или времени). Чем шире окно, тем большая поверхность будет открываться при смещении поршня вниз. За одно и то же время через окно будет проходить большее количество горючей смеси. Целесообразно, чтобы при открытии окна поршнем его площадь была бы сразу как можно большей. Во многих двигателях для этого окно делается расширенным кверху. Благодаря этому достигается эффект быстрого открытия окна без увеличения его поверхности.

Диаграмма роста открытой поверхности окон разной формы в зависимости от времени при постоянной ЧВ двигателя показана на рис. 9.4. Общая площадь окон в обоих случаях одинаковая. Площадь под кривыми диаграммы характеризует значение время-сечения. Для окна неправильной формы время-сечение больше.

Чтобы лучше понять, сколь важное значение для правильного наполнения кривошипной камеры горючей смесью имеет момент открытия и закрытия впускного окна, рассмотрим движение газов во впускном патрубке и в картере. В такте сжатия при движении поршня вверх в кривошипной камере создается разрежение. После открытия впускного окна начинается поступление горючей смеси. Однако движение смеси в патрубке не равномерное и не всегда направлено в кривошипную камеру.

Хоть и упрощенно, процесс колебаний столба смеси во впускном патрубке и в кривошипной камере можно представить в виде работы механизма, в котором смесь заменяется грузом, а упругое содержимое картера — пружиной (рис. 9.5). Обладающий энергией груз попадает в картер и сжимает пружину, которая тормозит его движение, останавливает, а потом выталкивает наружу. Теперь груз растягивает пружину, которая снова втягивает груз внутрь картера. Если бы не было трения, колебательные движения груза, растягивающего и сжимающего пружину, продолжались бы бесконечно долго.

Рис. 9.5. Механическая аналогия движения столба смеси во впускном патрубке и кривошипной камере

Точно так же обстоит и с движением газа. Заряд смеси (по аналогии с грузом) втягивается в картер, в котором после движения поршня вверх наступает разрежение. Давление в картере возрастает, достигает максимума, после чего начинается обратный процесс: смесь, которая заполнила картер, начинает возвращаться во впускной патрубок. Если бы впускное окно было открыто, то происходило бы поочередное заполнение и опорожнение кривошипной камеры. Необходимо подобрать такой момент закрытия впускного окна, чтобы в картере находилось как можно больше горючей смеси. Этого мы сможем добиться, если закроем окно в тот момент, когда поступающая в картер струя смеси остановится, но еще не будет идти обратно во впускной патрубок.

В картинговых двигателях применяются три метода регулирования наполнения кривошипной камеры горючей смесью. Регулирующими элементами являются поршень, вращающийся золотник или мембранный клапан (рис. 9.6). Как уже говорилось в гл. 4, регулирование с помощью поршня в специальных картинговых двигателях не применяется, а в адаптированных двигателях мембранные клапаны встречаются очень редко.

Рис. 9.6. Различные способы управления подачей заряда в кривошипную камеру:

а — управление поршнем; б — управление вращающимся золотником; в — управление мембранным клапаном

В двигателе с регулированием наполнения картера горючей смесью путем закрытия впускного окна нижней кромкой поршня возможность изменения фазы открытия впускного окна ограничена. Фазу можно увеличить путем соответствующего увеличения самого окна, особенно за счет изменения положения нижней кромки, либо путем изменения положения регулирующей кромки поршня. На рис. 9.7 даны схемы возможных изменений и диаграммы время-сечения. Заштрихованная поверхность отражает величину время-сечения. На рис. 9.7, б показано окно, которое полностью открыто при ходе поршня So, что обеспечивает наиболее стабильное течение смеси. Продолжительность открытия окна в этом случае больше, чем в случае, приведенном на рис. 9.7, а. Высота окна (сечение) в обоих случаях одинаковая. Увеличение высоты окна путем поднятия его верхней кромки (рис. 9.7, в) несколько увеличивает время-сечение, но приводит к тому, что полностью окно открыто только в верхнем положении поршня. Увеличение время-сечения не всегда компенсирует потери от возмущений, вызванных кромкой поршня.

В двигателях с вращающимся золотником изменения фазы открытия впускного окна можно добиться путем изменения выреза во вращающемся золотнике или угловой ширины окна (рис. 9.8). В обоих случаях фаза открытия окна равна 210°, но фаза полного открытия окна, показанного на рис. 9.8, а, составляет 110°, а на рис. 9.8, б—всего 50°. Хотя окно, показанное на рис. 9.8, а значительно больше окна, показанного на рис. 9.8, б, одна из кромок вращающегося золотника возмущает протекание смеси на 160° поворота коленчатого вала, а в примере рис. 9.8, а всего 100°. Этот пример показывает, что при подборе фазы впуска большую роль играют размеры впускного окна.

Наполнение кривошипной камеры зависит от сочетания нескольких факторов: фазы впуска, размеров и формы впускного окна, длины и формы впускного патрубка, объема картера (кривошипной камеры) и т. д. Влияние каждого из этих факторов можно изменить путем соответствующего изменения размеров и формы элементов двигателя. Их можно подобрать таким образом,

Рис. 9.8. Влияние изменения размера впускного окна на угол открытия окна:

а — окно полностью открыто при угле 110°; б—окно открыто лишь при угле 50° и неизменном угле открытия окна (210°)

чтобы обеспечить наибольшее наполнение картера. Трудность, однако, состоит в том, что продолжительность открытия впускного окна непосредственно зависит от скорости вращения коленчатого вала. Наибольшее наполнение картера горючей смесью происходит только при такой ЧВ, при которой была оптимизирована впускная система, т. е. при такой ЧВ, при которой впускное окно закрывается в момент наибольшего давления в картере. Эта частота вращения двигателя называется резонансной. При меньшей ЧВ окно закрывается слишком поздно, когда горючая смесь начинает движение из картера. Когда ЧВ будет слишком большой, окно будет закрыто слишком рано, еще не весь заряд смеси, поступающей через впускной патрубок, попадает в картер.

Рис. 9.9. Скоростные характеристики форсированного двигателя CZ типа «8»;

четко выражена резонансная ЧВ двигателя при частоте вращения 9600 об/мин (по данным А. Холовея)

Так как невозможно добиться оптимального наполнения картера в широком диапазоне ЧВ, приходится останавливать выбор на резонансной ЧВ. Изменение геометрических размеров впускной системы позволяет осуществить формирование внешней характеристики двигателя (рис. 9.9). Необходимо добавить, что изменение сопротивления потоку горючей смеси во впускной системе (например, за счет использования воздушного фильтра), также окажет влияние на значение резонансной ЧВ.

Системы продувки цилиндра

Рис. 9.10. Схема систем продувки цилиндра и соответствующие им развертки зеркала цилиндра:

а — двухканальная система; б — трехканальная система; в — четырехканаль-ная система; г — пятиканальная система

Применяемые в картинговых двигателях системы продувки цилиндра схематически представлены на рис. 9.10. Рядом показано расположение перепускных окон на развертке зеркала цилиндра для каждой из систем: двух-, трех-, четырех- и пятиканальной. В тех двигателях, где наполнение картера регулируется поршнем, крывает и не закрывает впускное окно. В этом случае впускной патрубок сделан не в цилиндре, и появляется возможность разместить дополнительный перепускной канал.

В двухтактном двигателе огромную роль играет выпускная система, состоящая из выпускного патрубка (в цилиндре и за цилиндром), расширительной камеры и глушителя. В момент открытия выпускного окна в цилиндре имеется некоторое давление, которое снижается в выпускной системе. Газ расширяется, возникают ударные волны, которые отражаются от стенок расширительной камеры. Отраженные ударные волны вызывают новый рост давления около выпускного окна, в результате чего некоторая часть отработавших газов снова попадает в цилиндр (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Схематическое представление последовательных фаз выхода отработавших газов:

а — открытие выпускного окна; б — полное открытие окна; в — закрытие окна

Кажется, что выгоднее было бы получить разрежение у выпускного окна, когда оно полностью открыто. Это вызовет откачивание газов из цилиндра и, тем самым, наполнение цилиндра свежей смесью. Однако в таком случае часть этой смеси вместе с отработавшими газами попадет в выпускной патрубок. Поэтому надо добиваться повышенного давления у выпускного окна, когда оно закрывается. В этом случае горючая смесь, попавшая вместе с отработавшими газами в выпускной патрубок, будет возвращена в цилиндр, заметно улучшая его наполнение. Происходит это уже после закрытия поршнем перепускных окон. Как и во впускной системе, волновые явления в выпускной системе дают положительный эффект только вблизи резонансной ЧВ. Изменяя размеры, а особенно длину выпускной системы, также можно формировать скоростные характеристики двигателя. Влияние изменений размеров выпускной системы на характеристики двигателя более значительно, чем изменение размеров впускной системы.

Для лучшего понимания работы двигателя необходимо сказать несколько слов о процессах, происходящих в камере сгорания двигателя. От протекания процесса сгорания зависит нарастание давления в цилиндре, что определяет мощность двигателя.

Результаты сгорания топлива, воспринимаемые в виде работы кривошипно-шатунного механизма, в первую очередь зависят от состава горючей смеси. Теоретически идеальным составом горючей смеси является так называемый стехиометрический состав, т. е. такой, при котором в смеси содержится столько топлива и кислорода, что после сгорания в отработавших газах нет ни топлива, ни кислорода. Другими словами, сгорит все находящееся в камере сгорания топливо, а для его сгорания будет израсходован весь кислород, содержащийся в горючей смеси.

Если бы в камере сгорания был избыток воздуха (недостаток топлива), то избыток этот не смог бы помочь процессу горения. Однако он стал бы дополнительной массой газа, которую надо «прокачать» через двигатель и нагреть, используя для этого теплоту, которая без этой дополнительной массы повысила бы температуру и, следовательно, давление в цилиндре. Горючая смесь с избытком воздуха называется бедной.

Столь же неблагоприятен недостаток воздуха (или избыток топлива). Это привело бы к неполному сгоранию топлива и, как следствие, к получению меньшей энергии. Избыток топлива при этом будет пропущен через двигатель и испарится. Горючая смесь с недостатком воздуха называется богатой.

На практике для получения наибольшей мощности целесообразно использовать слегка обогащенную смесь. Это объясняется тем, что в камере сгорания всегда образуются локальные неоднородности состава горючей смеси, возникающие из-за того, что невозможно добиться идеального перемешивания топлива с воздухом. Оптимальный состав смеси может быть определен только опытным путем.

Объем горючей смеси, засасываемой каждый раз в цилиндр, определяется рабочим объемом этого цилиндра. А вот масса воздуха, находящегося в этом объеме, зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем меньше плотность воздуха. Таким образом, состав горючей смеси зависит от температуры воздуха. Из-за этого необходимо «настраивать» двигатель в зависимости от погоды. В жаркий день в двигатель поступает теплый воздух, поэтому для сохранения соответствующего состава горючей смеси необходимо уменьшить подачу топлива. В холодный день масса поступающего воздуха возрастает, поэтому надо подавать больше топлива. Надо заметить, что на состав горючей смеси влияет также влажность воздуха.

Вследствие всего этого температура даже идеального в данных условиях состава смеси значительно влияет на степень наполнения кривошипной камеры. В постоянном объеме картера при более высокой температуре масса горючей смеси будет меньше и, тем самым, после ее сгорания в цилиндре будет более низкое давление. Из-за этого явления элементам двигателя стараются придать такую форму, особенно картеру (оребрение), чтобы добиться их максимального охлаждения.

Горение смеси в камере сгорания происходит с определенной скоростью, за время горения коленчатый вал поворачивается на определенный угол. Давление в цилиндре нарастает по мере горения смеси. Целесообразно получение наибольшего давления в тот момент, когда уже начался рабочий ход поршня. Чтобы этого добиться, смесь надо зажигать несколько раньше, с определенным опережением. Это опережение, измеряемое углом поворота коленчатого вала, называется углом опережения зажигания. Часто опережение зажигания удобнее измерять расстоянием, которое осталось пройти поршню до верхней мертвой точки.

От качества контакта поршня и поршневых колец с зеркалом цилиндра в первую очередь зависит мощность двигателя. Поршень и поршневые кольца герметизируют камеру сгорания во время сжатия и рабочего хода, а качество герметичности непосредственно влияет на количество энергии, передаваемой поршнем коленчатому валу. Другими словами, качество герметизации влияет на величины давлений сжатия и сгорания.

Наибольшие зазоры между поршнем и гильзой цилиндра, которые в современных двигателях объемом 125 см3 составляют всего лишь 0,025—0,03 мм, и маленькие зазоры в замках поршневых колец должны обеспечить почти абсолютную герметичность. Герметичность действительно была бы почти абсолютной, если бы в гильзе цилиндра не было окон, особенно выпускного окна, и если бы шатун двигался только вдоль оси цилиндра.

Шатун выполняет сложное движение: он движется вдоль оси цилиндра и совершает колебательное движение относительно поршневого пальца (рис. 9.12). Силу F давления газов на поршень можно разложить на две силы: силу Fk, действующую вдоль шатуна и создающую крутящий момент на коленчатом валу, и силу Fp, направленную перпендикулярно к зеркалу цилиндра и прижимающую к нему поршень. Если выпускное окно расположено на разгружаемой во время рабочего хода (и одновременного сжатия в кривошипной камере) стороне поршня, то в выпускное окно между поршнем и цилиндром перетекает горючая смесь из кривошипной камеры (рис. 9.13, а). Кроме того, выпускное окно будет практически открыто после прохождения верхним поршневым кольцом ниже верхней кромки окна. Таким образом, управление открытием выпускного окна осуществляет не верхняя кромка поршня, а кромка поршневого кольца.

Рис. 9.12. Разложение силы давления газов F на составляющие

Рис. 9.13. Расположение выпускного окна относительно направления вращения коленчатого вала:

а — неправильное; б — правильное

Этого нежелательного явления не произойдет, если использовать поршневые кольца с L-образным сечением, верхняя кромка которых совпадает с верхней кромкой поршня.

Описанных выше явлений можно избежать, если выпускное окно расположено с той стороны зеркала цилиндра, к которой прижимается поршень во время рабочего хода (рис. 9.13, б). Направление действия силы Fp зависит от направления вращения коленчатого вала.

Массы, которые необходимо уравновешивать, делятся на два вида (рис. 9.14): массы, участвующие во вращательном движении М1, и массы, движущиеся возвратно-поступательно, М2. К вращающимся массам обычно относят массу кривошипа с подшипником шатуна и с частью массы шатуна (массой нижней головки шатуна), условно соединенной с кривошипом. В возвратно-поступательном движении участвуют следующие массы: масса поршня с поршневыми кольцами и поршневым пальцем, а также часть массы шатуна (масса верхней головки), условно соединенная с поршнем. Мы говорим «условно» потому, что в действительности масса стержня шатуна участвует как в поступательном, так и в колебательном движении, и это значительно усложняет рассуждения. Распределение массы шатуна между кривошипом и поршнем является допустимым упрощением.

Центробежная сила ^ действующая на вращающиеся массы М1, всегда направлена по радиусу (рис. 9.15). Эту силу легко уравновесить, если на коленчатый вал установить противовес с такой массой и на таком расстоянии от оси вращения, чтобы центробежная сила F0w, действующая на эту массу, была равна центробежной силе F0. Обе силы Fo и F0w вращаются вместе с коленчатым валом, но всегда остаются в равновесии, независимо от ЧВ двигателя.

Рис. 9.15. Уравновешивание вращающихся масс:

а — неуравновешенная центробежная сила; б — полное уравновешивание

Инерционная сила Fb массы М2 всегда действует вдоль оси цилиндра (рис. 9.16, а). Как уже говорилось, она нагружает коленчатый вал силой Fhk, действующей на кривошип. Силу Fbk можно разложить на две составляющие: силу Fs, перпендикулярную радиусу кривошипа, и силу Fab, перпендикулярную оси коленчатого вала, нагружающую его подшипники и вызывающую дисбаланс. Однако эту силу, внешне похожую на центробежную силу Fo, возникающую в результате вращения массы M1, полностью уравновесить противовесом не удается. Сила Fob изменяется от максимальной в мертвых точках до нуля в некоторых промежуточных положениях. Полное уравновешивание этой силы противовесом возможно только в том случае, если центробежная сила противовеса изменяется таким же образом, что и сила Fob. На практике это невозможно, поэтому надо брать такой противовес, чтобы действующая на него постоянная центробежная сила FoP имела некоторое среднее значение. В этом случае в мертвых точках поршня (рис. 9.16, б) сила Fop будет меньше, чем Fob, равная Fb, а в промежуточных положениях поршня (рис. 9.16, в) сила Fop будет больше Fob. Во время каждого оборота коленчатого вала только в двух его положениях Fop = Fob. В сумме на противовес будет действовать центробежная сила, равная Fow+ F0p.

Возникает вопрос, какая должна быть величина силы Fop? Иначе говоря, какую часть максимальной силы Fob надо уравновесить? Если Fo будет большой, она почти полностью уравновесит силу Fob в мертвых точках хода поршня, а в других положениях коленчатого вала будет избыточной. Двигатель будет неуравновешен в горизонтальной плоскости. Если Fo мала, то двигатель будет неуравновешен в направлении оси цилиндра.

Отношение силы Fo к максимальному значению силы F0b называется коэффициентом уравновешенности. Значения этого коэффициента колеблются от 0,3 до 0,7. Заметим также, что он указывает, какую часть массы М2 надо учитывать при вычислении среднего значения Fob = Fo.

ignorik.ru