Что такое короткоходный и длинноходный двигатель

Главным показателем степени совершенства двигателя является его литровая мощность, т. е. число лошадиных сил, приходящееся на один литр рабочего объема цилиндров. Величина литровой мощности на современном этапе развития техники автомобилестроения определяется, в первую очередь, технологическими возможностями и зависит от качества материала деталей, их обработки и других факторов. Литровая мощность современных стандартных автомобильных двигателей находится в пределах 30—40 л. с. на 1 литр рабочего объема цилиндров, а в автомобилях высокого класса, в том числе спортивных, достигает 50 л. с. и более.
Достичь увеличения литровой мощности автомобильного двигателя можно, главным образом, путем повышения степени сжатия, увеличения скорости вращения коленчатого вала, уменьшения потерь на трение, улучшения наполнения цилиндров свежей смесью, а также рядом частных конструктивных усовершенствований.
Величина степени сжатия ограничивается возможностью двигателя работать без детонации на данном топливе, т. е. зависит от октанового числа. В странах Западной Европы октановое число бензина, поступающего в продажу, равно примерно 70. Поэтому мощность автомобильных двигателей здесь невелика, и степень сжатия у них обычно не превышает 7,0. Только в двигателях сравнительно большей мощности и в спортивных моделях степень сжатия доходит до 8,0—8,5 и выше.
В США так называемый «регулярный» бензин имеет октановое число 80—85, а специальный бензин, известный еще как «премиальный», 90—95. Соответственно степень сжатия двигателей американских автомобилей 1956 года колеблется в пределах 8,0—10,0. Мощные двигатели автомобилей Кадиллак (305 л. с.) и Паккард (310 л. с.) отличаются особенно высокими степенями сжатия (9,75 и 10,0).
Новейшие автомобильные двигатели строятся короткоходными, отношение хода поршня к диаметру в них близко к единице и меньше единицы. Этим удается значительно повысить число оборотов коленчатого вала в минуту, без большого возрастания величин сил инерции, и улучшить уравновешенность двигателя. Короткоходные двигатели обладают еще рядом преимуществ перед длинноходными — по наполнению цилиндров, величине механических потерь и износа, компактности, жесткости конструкции и т. д.
Уменьшение механических потерь в короткоходных двигателях легко объяснимо, поскольку с уменьшением пути поршня по зеркалу цилиндра сокращается и работа трения. Исследования показали, что в автомобильных двигателях до 65—80% всех механических потерь приходится на трение поршней и поршневых колец о стенки цилиндра, в то время как на трение в подшипниках коленчатого вала приходится лишь до 14% этих потерь. В поисках уменьшения потерь на трение конструкторы и технологи совершенствуют систему смазки двигателя, способы фильтрации масла, улучшают предварительную обработку трущихся поверхностей, качество заливки подшипников и т. д.
Лучшее наполнение цилиндров достигается при верхнем распределении, а .также путем усовершенствования впускного тракта, увеличения диаметра впускных клапанов и применения многокамерных карбюраторов. Новейшая практика автостроения показала, что наиболее рационально делать отдельную смесительную камеру карбюратора на каждую пару цилиндров. Для форсирования двигателей, особенно в спортивных автомобилях, конструкторы применяют на каждую пару цилиндров по две смесительные камеры, которые работают последовательно: первая при малых нагрузках и вторая — при больших, благодаря чему удается еще более повысить наполнение цилиндров рабочей смесью.

Рис. 1. Поперечный разрез двигателя Бюик

Укорочение хода поршня, при сохранении заданного литража, вызывает необходимость увеличения диаметра цилиндров, что в линейных восьмицилиндровых двигателях ведет к непомерному увеличению длины двигателя. В свою очередь это требует сокращения размеров пассажирского помещения или расширения базы (расстояния между осями) автомобиля. Поэтому сейчас наблюдается явная тенденция к установке цилиндров V-образно, под углом в два ряда, что позволяет уменьшить длину двигателя и получить надежную компактную конструкцию. Цилиндры отливаются заодно, коленчатый вал с пятью коренными подшипниками имеет большой диаметр шеек, что при коротких кривошипах придает ему жесткость. Увеличение нагрузки от сил газов и сил инерции при повышении степени сжатия и числа оборотов не вызывает в V-образных короткоходных двигателях больших деформаций и опасных вибраций.
Короткоходные автомобильные двигатели V-образной конструкции хорошо уравновешены и компактны, позволяют сократить базу и общую длину автомобиля, а следовательно, уменьшить и расход металла; при этом улучшаются также динамика и маневренность автомобиля. Опыт показал, что V-образная корот-коходная конструкция двигателя получается на 25% легче, на 30% короче, а по мощности на 30—40% превосходит линейную. В последнее время появился целый ряд V-образных конструкций шестицилиндровых двигателей. Такие двигатели строят заводы Лянчиа и Мазерати в Италии, Ман и Дейц — в Германии, Грэф-Штифт — в Австрии, Пегасо — в Испании, Ла Саль и Форд — в США.
На рис. 1 показан поперечный разрез короткоходного V-образного восьмицилиндрового двигателя Бюик, конструкцию которого можно в основном считать типичной для американского высокоразвитого двигателестроения. На рис. 2 приведены для сравнения габариты двух двигателей Паккард. Черным изображен линейный восьмицилиндровый двигатель 1954 года и белым— V-образный 1955 года.
Усовершенствование автомобильных двигателей дало возможность повысить технико-эксплуатационные показатели автомобилей — увеличить скорости и ускорения, уменьшить расход топлива, облегчить управление. В последнее время хорошие результаты получены благодаря замене карбюратора системой непосредственного впрыска бензина при зажигании отэлектрической запальной свечи (как в обычных бензиновых двигателях). Отсутствие карбюратора на линии всасывания уменьшает сопротивление, позволяет увеличить наполнение цилиндров и значительно повысить число оборотов коленчатого вала. Кроме того, непосредственный впрыск улучшает смесеобразование, смесь становится более однородной по качеству.
В качестве примера можно назвать двигатель автомобиля «Мерседес-Бенц 300» (рабочий объем цилиндров 2,996 литра), который с карбюратором развивает мощность 125 л. с. при 4500 об/мин, а с системой непосредственного впрыска (на спортивной модели) 215 л. с. при 5800 об/мин. Большую роль играет размещение двигателя на автомобиле, так как от этого зависит распределение веса между осями и удобное расположение пассажирских мест. В этом отношении давно наметились три направления. Сторонники первого направления придерживаются стандартного расположения двигателя — спереди, с приводом к задним ведущим колесам. При этом основные старания конструкторов направлены к тому, чтобы по возможности сместить двигатель вперед и перенести пассажирские сидения в пространство между осями. Но расположение длинного карданного вала под полом пассажирского отделения заставляет прибегать к установке промежуточного шарнира на специальной опоре и вводить гипоидную передачу. Только таким образом удается устранить тоннель в полу, уменьшить высоту кузова и площадь лобового сопротивления, а также снизить центр тяжести автомобиля.
Сторонники второго направления устанавливают двигатель сзади, с приводом на задние колеса, в связи с чем отпадает забота о карданном вале. Габариты автомобиля и вес его при такой компоновке сокращаются, обтекаемость кузова улучшается. Подобная схема расположения агрегатов получает все более широкое распространение на малолитражных европейских автомобилях, как, например, «Фи-ат-600», «Рено-Спорт», «Порше», «Фольксваген» и др. Сторонники третьего направления применяют, при обычном расположении двигателя спереди, привод на передние колеса. Такая компоновка, характерная для французских автомобилей «Ситроен» и «Панар», германских— «Ллойд», ИФА, «Голиаф», ДКВ и др., гарантирует от заноса на скользкой дороге и избавляет от длинного карданного вала под полом автомобиля.
Следует заметить, что стандартная компоновка с расположенным спереди двигателем и ведущими задними колесами имеет преимущественное распространение в Европе и на всех легковых автомобилях США, где установка двигателя сзади применяется только на автобусах. Все сказанное выше относится главным образом к легковым автомобилям. К этому можно добавить, что на грузовых автомобилях до 1,5—2 тонн используются по большей части такие же двигатели, как и на легковых автомобилях. Двигатели грузовиков большего тоннажа отличаются меньшими степенями сжатия и оборотностью, так как они чаще работают на режимах мощности, близких к полной нагрузке, и рассчитываются на большие межремонтные пробеги.
На автомобилях грузоподъемностью более 5 тонн и многоместных автобусах в Европе устанавливаются, как правило, дизельные двигатели, расходующие меньше топлива. Грузовики среднего тоннажа (от 3 до 5 тонн) строятся в зависимости от топливной конъюнктуры как бензиновыми, так и дизельными. Особенно распространены дизельные автомобили в Германии, где около 30% грузовых автомобилей и автобусов выпускается с дизелями. В то же время в США выпуск дизельных грузовых автомобилей и автобусов не превышает 1,5% от общего выпуска автомобилей.
Дизельные двигатели на легковых автомобилях начали появляться несколько лет назад, и в настоящее время серийный выпуск дизельных легковых автомобилей налажен на заводах «Мерседес-Бенц» и «Боргвард» в Германии, «Стандард», ВМС и «Турнер» в Англии, а также «Фиат» в Италии. Однако развитию легкового автодизелестроения мешает еще ряд непреодоленных конструктивных недостатков. Основные качества, по которым дизельные двигатели уступают бензиновым, — меньшая литровая мощность и больший удельный вес (т. е. вес двигателя, приходящегося на единицу мощности). Это/ объясняется главным образом тем, что в дизеле необходимо для полного сгорания топлива иметь больший коэффициент избытка воздуха, что влечет за собой худшее использование рабочего объема цилиндров; играют также роль сравнительно низкое число оборотов коленчатого вала у дизелей (из-за трудностей смесеобразования), а также высокие давления вспышки, что заставляет выполнять детали дизелей более массивными, чем в карбюраторных двигателях, т. е. повышать их вес.
В заключение следует подчеркнуть, что есть основания ожидать в ближайшем будущем широкого развития газотурбинных двигателей на автомобилях.

Рис. 2. Сравнение габаритных размеров линейного и V-образного двигателя Паккард.

Какой поршень выбрать при тюнинге (форсировке) двигателя?

Существует несколько способов прибавки мощности двигателю, и один из них — поднять крутящий момент. Тут важны два основных параметра — ход и диаметр поршня. И чем дальше вынесены от продольной оси коленчатого вала шатунные шейки (длиннее колено коленвала), тем больше сила с которой шатун толкает коленвал. А это значит, что двигатель разовьёт большую тягу. В таком случае вес поршня не имеет особого значения, и такие двигатели тихоходны, максимальные обороты у них всего 6 — 8 тысяч в минуту, и инерционные нагрузки на коленчатый вал и шатуны невысоки.

Теперь представьте — со стороны камеры сгорания на днище поршня давят газы продуктов горения топлива, а с другой стороны перемещению поршня сопротивляется шатун, сильно нагруженный весом машины. К тому же в большинстве движений шатун упирается в поршень под углом и значительно затрудняет передачу усилия. И если двигатель слаб, а мотоцикл или машина тяжелы, то естественно короткая юбка от такого двойного удара не выдержит и деформируется. И при работе будет вгрызаться в зеркало цилиндра вытесняя масляную плёнку и обрастая задирами.

Затем наступила эра оборотистых моторов — механики принялись за второй способ поднятия мощности за счёт увеличения оборотов коленвала. Естественно обороты можно поднять уменьшив плечо (колено) хода шатуна и поршня. И длина пути, то есть сумма расстояний при перемещении поршня за четыре такта при этом сокращается. И вполне естественно, что за один и тот же отрезок времени поршень такого двигателя совершит больше рабочих ходов, чем двигатель такого же объёма, но с длинноходным валом. Значит и работу совершит большую и мощность двигателя возрастёт. А также ещё и габариты мотора уменьшатся, ведь у короткоходных моторов меньше и габариты и масса.

Но вот поршни для таких моторов задали конструкторам задачу. Инерционные нагрузки, создаваемые поршнями на шатунах и шейках коленвала, в зависимости от оборотов и скорости перемещения поршней растут в геометрической прогрессии. И простейший способ снизить инерцию поршня — это снизить его вес, уменьшив диаметр. Но для сохранения общего литража двигателя придётся делать большее количество цилиндров (вспомните первые спортивные мотоциклы Беннели, Агусту или шестицилиндровую Хонду СВХ). А это увеличивает стоимость производства двигателя в несколько раз. И инженеры пошли на рискованный шаг: юбку поршня стали изготавливать «миди» — hю/D = 0,6-0,55, ну а затем и «мини» — и hю/D уменьшили до 0,5 — 0,45. И самое интересное, что поршни, даже не кованные, а литые выдержали нахальное укорачивание юбки, так как инженеры воспользовались полезным свойством гидродинамического эффекта смазки.

Но опять же и бочкообразная юбка не панацея от трения. Такую юбку можно без проблем укоротить относительно конуса процентов на 10 — 15 и не нарушить условий смазки. Но при таком укорачивании поршень станет не на много легче. Но почему же в современных оборотистых моторах вполне надёжно работают Т-образные поршни, почти не имеющие юбки — hю/D около 0,4 ? Да потому, что масляный клин отталкивает юбку поршня от зеркала цилиндра с силой, которая возрастает пропорционально квадрату скорости перемещения поршня. Это легко понять на примере водных лыж. Если прицепиться тросом к тихоходной барже, то скользить по воде на маленькой скорости будет невозможно, даже на лыжах большой длины и ширины. А вот если прицепиться к мощному и скоростному катеру, то скользить по воде можно будет даже на пятках. И благодаря этому эффекту, у высокооборотных моторов, в которых поршень движется с огромной скоростью, появляется возможность кардинально сократить размер юбки, и в результате сократить вес поршня на четверть. И вот здесь проявляется преимущество кованных поршней — их малый вес, при одинаковых условиях тюнинга, позволяет дополнительно облегчить шатуны и коленвал и динамика двигателя возрастает, без ущерба для его ресурса.

Влияние диаметра цилиндра и хода поршня на характер двигателя / двигатель :: поршень :: наука :: ДВС :: техника :: реактор образовательный :: галилео (сообщество) (#галилео) :: мотореактор :: разное

Влияние диаметра цилиндра и хода поршня на характер двигателя

Сперва немного лирики:

Производители не могут повышать мощность двигателей путем простого увеличения объема сразу по нескольким причинам:

-Требования к общему объему двигателя

-Законы, ограничивающие доступ к определенным объемам в зависимости от возраста и опыта вождения у водителей

-Стоимость страхования аппаратов с двигателями большего объема

-И еще черт знает какие

Кроме того, производители вынуждены убеждать потребителя, что их двигатель заданного объема лучший, а самый надежный способ добиться этого — превзойти конкурентов по скорости, динамике и внешнему виду. Есть несколько факторов, которые влияют на то, какова будет полученная от двигателя мощность, в первую очередь к этим факторам относят диаметр цилиндра и ход поршня.

Для простоты и условной точки отсчета мы воспользуемся конструкцией двигателя, в которой диаметр цилиндра равен ходу поршня. Назовем такую конструкцию «квадратной». Если увеличить ход и уменьшить диаметр до получения заданного объема двигателя, то полученная схема будет носить название «длинноходной», в то время как в другом предельном варианте может использоваться большой диаметр в комбинации с небольшим ходом для получения так называемой «короткоходной» схемы двигателя.

Длинноходная конструкция

Длинноходный двигатель отличается пологой характеристикой крутящего момента в широком диапазоне частот вращения двигателя. Крутящий момент является следствием достаточно большого плеча рычага, на котором прилагается усилие от длинного шатуна, и именно это позволяет длинноходному двигателю развивать высокое тяговое усилие при низких частотах вращения Если нарисовать кривую крутящего момента, то можно было бы отметить его незначительное увеличение по мере роста частоты вращения двигателя с достижением максимума, после которого момент начинает понижаться. Учитывая то, что двигатель наиболее эффективно работает при максимальном крутящем моменте, становится очевидным, что желательно иметь максимально пологую характеристику крутящего момента. В этом отношении длинноходный двигатель превосходит другие. Где длинноходный двигатель проигрывает, так это в общем запасе мощности, измеряющемся в эффективной мощности. Она очень мала при низких частотах вращения двигателя, резко возрастает по кривой и снижается только при очень высоких скоростях. Для получения максимальных мощностных показателей необходим двигатель, работающий с максимально возможной частотой вращения, и в этом случае длинный ход менее удобен: высокая скорость поршня налагает ограничение, при превышении которого происходит или повреждение, или ускоренный износ двигателя, а это, в свою очередь, ограничивает запас располагаемой мощности

Короткоходная конструкция

Короткоходный двигатель может работать при более высоких скоростях, чем длинноходный того же объема, и, следовательно, за определенный промежуток времени происходит большее количество рабочих ходов (повышается мощность). Недостаток заключается в том, что меньший ход означает уменьшение плеча рычага коленчатого вала, а это, в свою очередь, приводит к менее пологой характеристике крутящего момента. Таким образом, короткоходные двигатели более мощные, но в узком диапазоне частот вращения двигателя.

Как вы, догадывались, наилучший вариант — в компромисс между двумя этими крайностями, а именно — «квадратный» двигатель, описанный ранее. На практике многие современные мотоциклетные двигатели близки к «квадратной» схеме с небольшими отклонениями, обусловленными конкретными требованиями к их использованию. Хотя с популярностью спортбайков число короткоходных двигателей возросло, для того чтобы обеспечить потребителей тем уровнем мощности, который им хочется иметь на бумаге

Вот график зависимости мощности двигателей разных схем в зависимости от количества оборотов:

Красная кривая – характеристика «короткоходного» двигателя: высокая мощность в узком диапазоне высоких оборотах
Зеленая кривая – характеристика «длинноходного» двигателя: мощность и крутящий момент достигает при не высоких оборотах, внушительная эластичность двигателя
Черная кривая – «золотая середина» «квадратного» двигателя.

Подробнее
длинноходныЯ короткий ход

мотореактор,галилео (сообщество),#галилео,разное,реактор образовательный,техника,наука,ДВС,двигатель,поршень

Самарская область: На ВАЗе удлинили не только «десятку», но и двигатель

Самарская область, 9 июня 2003, 15:15 — REGNUM Автомобили ВАЗ-21108 Премьер (на 175 мм длиннее базовой «десятки»), которые изготавливает компания «Супер-Авто», с недавнего времени оснащаются новыми силовыми агрегатами с 1,8-литровыми моторами. Словосочетание «силовые агрегаты» использовано совсем не случайно. Кроме собственно двигателя, изменениям подверглись также и узлы трансмиссии. Сцепление — усиленное, от известнейшей фирмы «Luk», коробка передач дорабатывается по одному из двух вариантов. Первый — устанавливаются другие подшипники вторичного вала, второй — устанавливается вторичный вал в сборе измененной конструкции. Доработка трансмиссии понадобилась для обеспечения возможности передачи заметно возросшего крутящего момента, развиваемого двигателями увеличенного рабочего объема. Двигателей два — восьмиклапанный ВАЗ-21118 и шестнадцатиклапанный ВАЗ-21128. Причем на обоих не просто увеличен объем, а произведена существенная переработка конструкции деталей кривошипно-шатунного механизма. Диаметр поршней возрос незначительно — с 82 до 82,5 миллиметра.

Наиболее заметное возрастание рабочего объема достигнуто за счет возросшего хода поршня — с 71 до 84 миллиметров. Таким образом, отношение хода поршня к диаметру циллиндра изменилось с 0,87 (для двигателей 2111, 2112) до 1,02. А это значит, что новые моторы из так называемых «короткоходных» превратились в «длинноходные». В этом есть как свои плюсы, так и свои минусы. Плюсы — длинноходные двигатели обладают низким значением удельной массы, большой корпусной жесткостью, хорошей экономичность и возможностью варьировать величинами мощности и крутящего момента в широком диапазоне оборотов коленчатого вала. Минус — увеличение сил инерции, ведущее к росту нагрузок на детали двигателя и соответственно к снижению его ресурса.

Однако в современном двигателестроении имеется множество способов снижения инерционных сил, главный из которых — уменьшение массы деталей. По этому пути и пошли конструкторы 1,8-литровых моторов «ВАЗ». Масса поршней снижена, во-первых, благодаря их гораздо меньшей высоте, во-вторых, более современной технологии изготовления. Сначала использовались кованые поршни, сейчас же предпочтение отдано литым по новейшей технологии, требующей минимальной механической обработки. Еще один большой плюс этих двигателей: в поршнях сделаны небольшие проточки для предотвращения порчи клапанов в случае обрыва ремня ГРМ, что случается с шестанцатиклапанным мотором ВАЗ-2112. Заметно легче стали поршневые пальцы и шатуны. Коленвал также облегчен, за счет уменьшения диаметра шатунных шеек с 47,8 до 41,5 мм и изменения формы противовесов.

Для обеспечения нормальной работы двигателям увеличенного рабочего объема были изменены калибровки контроллера «Январь-5.1», а также использованы форсунки увеличенной производительности и дроссельный патрубок с большим проходным сечением. Благодаря всем этим изменениям, трогается автомобиль ВАЗ-21108 весьма уверенно не только на первой, но и на второй передаче. А дальше — мощный, ровный, без каких-либо подхватов и провалов разгон. Такие характеристики двигателя делают процесс управления машиной очень легким — не надо напрягать себя чересчур плавным включением сцепления.

Оценка статьи:

Загрузка...