На что влияет длина шатуна двигателя
Увеличение объема двигателя. Значение R/S
Увеличение объема двигателя. Значение R/S
Увеличение объема двигателя внутреннего сгорания является самым простым способом поднять моментные (в большей степени) и мощностные характеристики мотора. Существует несколько возможных вариантов по увеличению объема двигателя ВАЗ-21083 ( и его производных – ВАЗ 2111, 2112).
Первый (более «народный» – т.к. дешевый) – расточка блока цилиндров под больший диаметр поршня. Затратная часть – работы по расточке блока, стоимость комплекта поршней и колец большего диаметра.
На удивление, рост рабочего объема поршневого двигателя не всегда самый выгодный способ форсировки – иногда, в зависимости от того, что вы хотите получить от мотора, выгоднее доработать головку блока цилиндров с установкой подходящего спортивного распределительного вала и после этих операций «снять» большую мощность с вашего силового агрегата.
Естественно, чтобы возможности распределительного вала раскрылись в полную силу, необходима доработка ГБЦ – зачастую довольно серьезная – вплоть до перепрессовки седел и установку клапанов большего диаметра. Кроме того, нельзя забывать про впускные и выпускные каналы, по которым топливно-воздушная смесь поступает в цилиндры, а отработанные газы «вырываются» с большой скоростью – их необходимо дорабатывать, увеличивая до определенных пределов их сечение, производя внутреннюю полировку и изменяя их профиль.
Кроме ГБЦ, достаточно большое влияние на характер мотора оказывает содержимое и «геометрия» блока цилиндров. Мы не будем обсуждать разные типы поршней и их форму, весовые характеристики коленчатых валов, хотя бесспорно они вносят определенный вклад в характер будущего мотора. Существует такое понятие, как отношение длины шатуна к ходу поршня, эта характеристика и сам диаметр кривошипа коленчатого вала (ход поршня) существенно влияют на «дыхание» мотора: ведь по своей сути, ДВС – это насос, который прокачивает через себя определенный объем смеси воздуха с топливом за определенный промежуток времени.
Мы рассмотрим влияние соотношения длины шатуна и диаметра кривошипа коленчатого вала на «характер» мотора двигателей семейства ВАЗ-2108. В англоязычной литературе это соотношение именуется R/S – rod to stroke ratio, и ему уделяется достаточно серьезное внимание при доработке моторов. Многие источники считают, что «золотой серединой» является величина R/S, равная 1,75.
Эффект большого R/S:
ЗА: Позволяет поршню дольше находиться в ВМТ, что обеспечивает лучшее горение топливной смеси, т.е. более полное сгорание топливной смеси, более высокое давление на поршень после прохождения ВМТ, более высокая температура в камере сгорания. В результате хороший момент на средних и высоких оборотах. Длинный шатун уменьшает трение пары «поршень-цилиндр», а это особенно важно при рабочем ходе поршня.
ПРОТИВ: Мотор, собранный с достаточно большим значением R/S не обеспечивает хорошее наполнение цилиндров на низких и средних частотах вращения КВ, из-за снижения скорости воздушного потока (из-за уменьшения скорости движения поршня после ВМТ, в момент открытия впускного клапана). Большая вероятность появления детонации из-за высокой температуры в камере сгорания и длительного времени нахождения поршня в ВМТ.
Эффект малого R/S:
ЗА: Обеспечивает очень хорошую скорость наполнения цилиндров на низких и средних частотах вращения КВ, так как скорость движения поршня от ВМТ больше, разряжение нарастает быстрее, что улучшает наполнение цилиндров, более высокая скорость движения топливовоздушной смеси делает смесь более гомогенной (однородной) что способствует лучшему сгоранию. преимущества: более низкие требования к доработке и диаметрам каналов ГБЦ, чем на моторе с высоким соотношением R/S.
ПРОТИВ: Малая величина RS означает, больший угол наклона шатуна. Это значит, что большая сила будет толкать поршень в горизонтальной плоскости. Для мотора это означает следующее:
1) Большая нагрузка на шатун (особенно на центр шатуна), что делает разрушение шатуна более вероятным. Разрушение шатуна само по себе мало вероятно, кроме случаев обрыва, при заклинивании и гидроударе, как правило, шатун рвется у верхней или нижней головки под углом приблизительно 45 градусов к оси шатуна.
2) Увеличение нагрузки на стенки блока цилиндров, большая нагрузка на поршни и кольца, увеличение рабочей температуры вследствие повышенного трения, как результат, более быстрый износ стенок цилиндра, колец, и ухудшении условий смазки. Износ этого участка зависит от величины смещения оси пальца относительно оси поршня и от значения максимального угла наклона шатуна, т.е. при применении ‘кованных’ поршней со смещенным пальцем, износ будет меньше чем при применении стандартных поршней.
3) Более короткий шатун также увеличивает скорость движения поршня, что влияет на износ и увеличение трения. Максимальная скорость поршня приходится на угол около 80 градусов поворота коленчатого вала от ВМТ, для мотора с коленвалом 74,8 мм при 5600 оборотов в минуту она равна 22,92 м/с при шатуне 121 мм., и 22,80 м/с., при шатуне 129 мм. Наиболее весомым является зависимость ускорения поршня от длины шатуна. Большие значения ускорения положительно влияют на наполнение цилиндров на малых оборотах, что ведет к «тяговитости» двигателя в следствии лучшего наполнения.
Но на высоких оборотах из-за инерционности потока во впускной трубе происходит эффект запирания на впускном клапане (т.е объем цилиндра над поршнем растет быстрее, чем может заполняться через клапанную щель, что ведет к ухудшению наполнения и мощностных характеристик на высоких оборотах). В случае длинного шатуна на малых оборотах происходит обратный выброс смеси, но на высоких нет явления запирания.
ФОРУМ МОТОРИСТОВ
Форум для общения мотористов, водителей и любопытных
Влияние длины шатуна на характер форсированного двигателя
Влияние длины шатуна на характер форсированного двигателя
Сообщение Xidden » 16 авг 2006, 20:35
Re: Влияние длины шатуна на характер форсированного двигател
Сообщение AB-Engine » 16 авг 2006, 21:49
Сообщение Xidden » 16 авг 2006, 22:25
шатун
Сообщение aleks » 16 авг 2006, 22:44
Сообщение Xidden » 17 авг 2006, 00:22
ЗА: Позволяет поршню дольше находиться в ВМТ, что обеспечивает лучшее горение топливной смеси, т.е. более полное сгорание топливной смеси, более высокое давление на поршень после прохождения ВМТ, более высокая температура в камере сгорания. В результате хороший момент на средних и высоких оборотах.
Длинный шатун уменьшает трение пары «поршень-цилиндр», а это особенно важно при рабочем ходе поршня.
ПРОТИВ: Мотор, собранный с достаточно большим значением R/S не обеспечивает хорошее наполнение цилиндров на низких и средних частотах вращения КВ, из-за снижения скорости воздушного потока (из-за уменьшения скорости движения поршня после ВМТ, в момент открытия впускного клапана).
Большая вероятность появления детонации из-за высокой температуры в камере сгорания и длительного времени нахождения поршня в ВМТ
Эффект малого R/S:
ЗА: Обеспечивает очень хорошую скорость наполнения цилиндров на низких и средних частотах вращения КВ, так как скорость движения поршня от ВМТ больше, разряжение нарастает быстрее, что улучшает наполнение цилиндров, более высокая скорость движения топливовоздушной смеси делает смесь более гомогенной (однородной) что способствует лучшему сгоранию.
преимущества: более низкие требования к доработке и диаметрам каналов ГБЦ, чем на моторе с высоким соотношением R/S.
Малая величина R\S означает, больший угол наклона шатуна. Это значит, что большая сила будет толкать поршень в горизонтальной плоскости. Для мотора это означает следующее:
1) Большая нагрузка на шатун (особенно на центр шатуна), что делает разрушение шатуна более вероятным. Разрушение шатуна само по себе мало вероятно, кроме случаев обрыва, при заклинивании и гидроударе, как правило, шатун рвется у верхней или
нижней головки под углом приблизительно 45 градусов к оси шатуна.
2) Увеличение нагрузки на стенки блока цилиндров, большая нагрузка на поршни и кольца, увеличение рабочей температуры вследствие повышенного трения, как результат, более быстрый износ стенок цилиндра, колец, и ухудшении условий смазки. Износ этого участка зависит от величины смещения оси пальца отн. оси поршня и от значения максимального угла наклона шатуна, т.е. при применении «кованных» поршней со смещенным пальцем, износ будет меньше чем при применении стандартных поршей.
3) Более короткий шатун также увеличивает скорость движения поршня, что влияет на износ и увеличение трения. Максимальная скорость поршня приходится на угол около 80 градусов поворота коленчатого вала от ВМТ, для мотора с коленвалом 74,8 мм при 5600 оборотов в минуту она равна 22,92 м/с при шатуне 121 мм., и 22,80м/с., при шатуне 129 мм.
Наиболее весомым является зависимость ускорения поршня от длины шатуна. Большие значения ускорения положительно влияют на наполнение цилиндров на малых оборотах, что ведет к «тяговитости» двигателя в следствии лучшего наполнения. Но на высоких оборотах из-за инерционности потока во впускной трубе происходит эффект запирания на впускном клапане (т.е объем цилиндра над поршнем растет быстрее, чем может заполняться через клапанную щель, что ведет к ухудшению наполнения и мощностных характеристик на высоких оборотах). В случае длинного шатуна на малых оборотах происходит обратный выброс смеси, но на высоких нет явления запирания.
Устройство автомобилей
Кинематика и динамика КШМ
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) является основным механизмом поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который воспринимает и передает значительные по величине нагрузки. Поэтому расчет прочности КШМ имеет важное значение. В свою очередь расчеты многих деталей двигателя зависят от кинематики и динамики КШМ.
Кинематический анализ КШМ устанавливает законы движения его звеньев, в первую очередь поршня и шатуна.
Типы КШМ
В поршневых ДВС применяются три типа КШМ:
В центральном КШМ ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала (рис. 1).
Угловая скорость рассчитывается по формуле
Важным конструктивным параметром КШМ является отношение радиуса кривошипа R к длине шатуна L :
Установлено, что с уменьшением λ (за счет увеличения длины шатуна L ) происходит снижение инерционных и нормальных сил. При этом увеличивается высота двигателя и его масса, поэтому в автомобильных двигателях принимают значение λ от 0,23 до 0,3.
КШМ с прицепным шатуном применяется на двигателях с большим числом цилиндров, когда хотят уменьшить длину двигателя (рис. 3).
Конструкция такого КШМ содержит главный шатун 12, соединенный непосредственно с шейкой коленчатого вала, и прицепной шатун 3, который соединен с главным шатуном посредством шарнира 11, расположенного на его головке. При этом поршни, соединенные с главным и прицепным шатуном имеют не одинаковый рабочий ход, Так, в V-образном двенадцатицилиндровом двигателе Д-12 разница в ходе поршней составляет 6,7 мм.
Кинематика центрального КШМ
При кинематическом анализе КШМ считается, что угловая скорость коленчатого вала постоянна. В задачу кинематического расчета входит определение перемещения поршня, скорости его движения и ускорения.
Перемещение поршня в зависимости от угла поворота кривошипа для двигателя с центральным КШМ рассчитывается по формуле:
Перемещение поршня для каждого угла поворота коленчатого вала может быть определено графическим способом, который получил название метод Брикса.
Средняя скорость поршня может быть определена по формулам:
Средняя скорость поршня в автомобильных двигателях находится в пределах от 8 до 15 м/с.
Значение максимальной скорости поршня с достаточной степенью точности может быть определено по формулам:
Ускорение поршня определяется, как первая производная скорости по времени или как вторая производная перемещения поршня по времени:
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра
Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D является одним из основных параметров, который определяет размеры и массу двигателя. В автомобильных двигателях значения S/D варьируют от 0,8 до 1,2. Двигатели, у которых S/D больше единицы, называют длинноходными, а у которых S/D меньше единицы – короткоходными. Данное соотношение непосредственно влияет на скорость поршня, а значит и на мощность двигателя.
С уменьшением значения S/D очевидны следующие преимущества:
Однако есть и отрицательные моменты:
Динамика КШМ
При работе двигателя в КШМ действуют силы и моменты, которые не только воздействуют на детали КШМ и другие узлы, но и вызывают неравномерность работы двигателя.
К таким силам относятся:
Кроме того, возникают такие силы, как давление на поршень со стороны картера, и силы тяжести элементов КШМ, которые в расчетах не учитываются в виду относительно малой величины.
Все действующие в двигателе силы взаимодействуют с сопротивлением на коленчатом валу, силами трения и воспринимаются опорами двигателя.
В течение каждого рабочего цикла (720˚ – для четырехтактного и 360˚ – для двухтактного двигателей) силы, действующие в КШМ, непрерывно меняются по величине и направлению. Для установления характера изменения данных сил от угла поворота коленчатого вала их определяют через каждые 10˚ – 30˚ для определенных положений коленчатого вала.
Эти данные необходимы для устранения причин вибраций двигателя во время работы, т. е. для уравновешивания двигателя.
Уравновешивание двигателей
Пламенное сердце машины, часть 3
Двигатель. Вибрации и уравновешенность. Конфигурация цилиндров.
Текст: Артем ‘S1LvER’ Терехов
У каждого мотоциклетного двигателя есть ряд вращающихся деталей. А есть еще и такие, которые движутся возвратно-поступательно (только в роторном двигателе таких деталей нет). Вот они-то в основном и являются «возмутителями спокойствия», задорно раскачивая моторчик на разные лады.
Возьмем, например, маховик. Этот большой парень свободно вращается на своих подшипниках и не создает вообще никаких вибраций. Но к вращению маховика добавляются движения других вращающихся элементов: палец кривошипа, нижняя часть шатуна, подшипник нижней головки шатуна. И уже эта сумма (а не отдельные элементы общей «вращающейся картины») создает проблему вибрации, вызванную разбалансировкой вращающихся или центробежных сил.
С возвратно-поступательными движениями деталей тоже все отнюдь не просто: верхняя половина шатуна и поршень движутся именно так. Объяснить, откуда берутся вибрации в этом случае непросто, но я постараюсь. Как только поршень достигает вершины своего хода (верхней мертвой точки, ВМТ), он должен резко замедлиться и практически мгновенно остановиться, после чего ускориться в обратном направлении. Безумный поршень достигает своей максимальной скорости где-то в середине хода, после чего снова следует резкое замедление, «оттормаживание» в нижней мертвой точке (НМТ), после чего опять происходит ускорение при движении вверх. Снова, снова и снова. Каждая остановка в ВМТ и НМТ вызывает импульс вибрации, которая расходится по всему двигателю. Физические силы, которые вызывают вибрацию, называют инерционными или возвратно-поступательными, они равны нулю в середине хода поршня и максимальны в ВМТ и НМТ.
Поршни маленького Ninja 250R порхают со скоростью 15,11 метров в секунду!
Со всеми этими проблемами нужно как-то бороться, потому что ездить на брыкающемся и вздрагивающем всем телом байке просто невозможно.
Решение проблем
Устранить вредное влияние вращающих сил довольно просто: надо удалить часть материала с маховика рядом с пальцем кривошипа или прибавить такое же количество материала напротив него, и конструкция снова сбалансирована. Для компенсации возвратно-поступательных сил можно продолжать увеличивать массу маховиков с противоположной пальцу кривошипа стороны так, чтобы был сбалансирован общий вес узлов, перемещающихся возвратно-поступательно. Таким способом исключается неуравновешенность в ВМТ и НМТ хода поршня. Проблема вибрации решена!
А вот и нет. Такой подход не работает в промежутке хода поршня между ВМТ и НМТ, потому что добавленная масса на маховиках создает постоянную крутящую силу, в то время как возвратно-поступательно движущаяся сила (да, от этих поршней одни проблемы) изменяется от максимума до нуля и наоборот. В итоге получается горизонтальная вибрация. И хотя масса вращающихся частей коленвала постоянна (если только он еще не рассыпается от вибраций, которыми мы с вами, как заправские инженеры, его наградили), часть этой массы постоянно изменяет свое положение, изменяя таким образом крутящие силы. Процесс вращения коленвала и действие сил, которые при этом возникают, частично показан в ролике о принципе работы крестообразного коленвала Yamaha R1 2009, советую посмотреть для лучшего понимания того, что я тут понаписал (начиная с 2.30 минут ).
Проблема уравновешивания двигателя с математической точки зрения очень сложна. Существующие методы представляют собой компромисс по сравнению с идеальной ситуацией. Исходя из этого, становится понятно, зачем конструкторы испробовали огромное количество различных схем двигателя и коленвала: чтобы исследовать и попытаться устранить присущие им проблемы вибрации и уравновешенности.
Подавление вибраций
Есть несколько способов снижения вибрации, которые избавляют разработчиков от трудной необходимости устранения самой причины. Конструкция рамы играет огромную роль: грамотно спроектированная, она снижает уровень вибраций. Еще можно закрепить двигатель в раме с помощью резиновых втулок, которые выполняют виброизоляционную роль. Рукоятки руля утяжеляют: это приводит к изменению резонансной частоты руля, что уменьшает «дрожь». Подобный метод применяется и в случае с зеркалами заднего вида. Явный аутсайдер в этом вопросе – Hyosung GT250R, заводские зеркала которого часто лопаются вследствие непродуманной конструкции.
Невозможно устранить силы служащие источником затруднений. Однако возможно создать равные им, но противоположно направленные силы для устранения уже существующих. Для этого используется один или несколько уравновешивающих валов (которые часто называют балансирными) с приводом от коленвала, которые вращаются в противоположном ему направлении. На валу размещают противовесы, масса и расположение которых тщательно рассчитывается. Такой подход оптимален в случаях, когда мощность и вес значат меньше, чем удобство и комфортабельность, либо когда прочие способы уже задействованы, но не принесли желаемого эффекта. В результате, балансирный вал можно встретить и в двигателях супербайков (например, Suzuki GSX-R1000 2009), и в моторах больших туреров вроде BMW R1200RT.
В поисках мощности – диаметр и ход поршня
Соотношение диаметра и хода поршня – это основной фактор того, как будет получена мощность от двигателя. Схема, в которой диаметр поршня равен его ходу, называется «квадратной». Если увеличить ход и уменьшить диаметр, то полученная схема будет называться «длинноходной». Обратные действия приведут к созданию «короткоходной» схемы.
Двухлитровый V-twin от Kawasaki VN2000. Ход поршня значительно превышает диаметр цилиндра
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. Именно это позволяет длинноходному двигателю развивать хорошую тягу при низкой частоте вращения коленвала. Наглядный пример длинноходной схемы – большеобъемные крузеры с V-образным двигателем. Двухлитровый V-twin от Kawasaki VN2000. Ход поршня значительно превышает диаметр цилиндра
Короткоходный двигатель может работать при более высоких скоростях вращения, чем длинноходный того же объема. Следовательно, за определенный промежуток времени происходит большее количество рабочих ходов (т.е. повышается мощность). Недостаток заключается в уменьшении плеча рычага коленвала, что приводит к менее пологой характеристике крутящего момента. Короктоходные двигатели более мощные, но в узком диапазоне частот вращения двигателя. Думаю, не стоит объяснять, что спортбайки принадлежат именно к короткоходному «племени» байков.
На деле многие современные мотоциклетные двигатели близки к квадратной схеме, с небольшими отклонениями в ту или иную сторону (в зависимости от предъявляемых требований к использованию мотоцикла).
Конфигурации цилиндров
Немного разобравшись в теории, давайте посмотрим на различные схемы расположения цилиндров. Зная общие принципы, мы уже сможем делать самостоятельные выводы о достоинствах и недостатках конкретных конфигураций.
— необходимость в больших маховиках для поддержания вращения двигателя до его следующего рабочего хода (немного подумайте, и вы поймете, что воспламенение смеси в 1-цилиндровом 4Т-двигателе происходит один раз за два оборота коленвала);
— чтобы избежать чрезмерного «ожирения» всей конструкции, поршень максимально облегчают, а это не лучшим образом сказывается на долговечности.
Одностволки обладают хорошей характеристикой мощности и крутящего момента, за счет длинного шатуна. Однако если слишком уж крутить такой движок, недостатки станут очевидными. Массивные маховики накапливают большую инерцию, а большой ход поршня в сочетании с малым диаметром цилиндра означает высокий уровень износа этих узлов. Еще одна проблема – затрудненный запуск двигателя. Кроссовики в основном оснащаются только кикстартером, и каждый раз при запуске необходимо устанавливать коленвал в положение, когда он чуть не доходит до ВМТ на такте сжатия, после чего давать ему сильнейший пинок, чтобы заставить его вращаться. Если коленвал установлен неправильно, или на кикстартер нажали недостаточно сильно, горе-райдер получает ответный пинок по ноге. Спросите кроссменов со стажем, или владельцев советской ракеты ИЖ Планета-Спорт, и услышите множество красочных историй о том, как незадачливый «заводила» был бит своим мотоциклом.
Honda CRF450R 2009, 1 цилиндр, 4 такта. Kick me!
Triumph Thruxton 2008, 2 цилиндра в ряд, чередование вспышек через 360 градусов
Yamaha TDM900 2008, 2 цилиндра в ряд, чередование вспышек через 270 градусов
Благодаря внушительному виду двигатели V-twin очень популярны у кастомайзеров во всем мире
Triumph Street Triple 2008, трехцилиндровая инженерная гармония
Yamaha YZF-R1 2004, классическая рядная четверка
По сути, «четверка» представляет собой два двухцилиндровых двигателя, объединенных между собой со смещением шатунных шеек коленвалов на 180 градусов. Рабочие хода происходят достаточно часто, один за каждый полуоборот коленвала. Следовательно, потребность в больших маховиках для поддержания движения отпадает. За счет хорошей уравновешенности коленвала и относительно небольшого диаметра маховиков 4-цилиндровый двигатель обладает небольшим ходом поршня, поэтому его легко «раскручивать». Что и получило одобрение в рядах отягощенных адреналином потребителей. Проблемы с вибрацией, если таковые есть, решаются грамотной конструкцией рамы, опор двигателя и всех окружающих двигатель узлов. Примеров использования рядной четверки огромное количество, в основном – среди японских производителей. Хотя компания BMW также использует его в своих мотоциклах. Причем баварцы наклоняют цилиндры вперед, что понижает центр тяжести и положительно сказывается на управляемости байка.
BMW K1200R 2008, обратите внимание на сильный наклон цилиндров вперед
Двигатель Honda VFR1200F 2010
BMW HP2 Sport 2008, вершина эволюции оппозита
По аналогии с рядными двигателями, точно так же двухцилиндровый оппозитник превратился в четырехцилиндровый. Единственный мотоцикл, где применяется такой движок – это Honda Gold Wing с двигателем объемом 1000, 1100 и 1200 куб. см (по мере эволюции модели). Отсутствие вибраций, отличная управляемость за счет низкого центра тяжести – козыри те же, что и в случае с 2-цилиндровым собратом. На самую новую версию Gold Wing’а устанавливается шестицилиндровый оппозитный двигатель объемом 1800 куб. см – единственный представитель такой компоновки среди серийных мотоциклов (так же, как и его 4-цилиндровый предшественник был единственным в свое время).
При всех своих достоинствах, оппозитный двигатель с любым количеством цилиндров обладает одним очень серьезным недостатком. И этот недостаток – чрезмерная ширина, которая является постоянной проблемой для мотоциклетных конструкторов и ограничивает круг применения данной схемы круизерами и туристами. BMW HP2 Sport наиболее ярко продемонстрировал, насколько велики габаритные недостатки Boxer’а.
Мы с вами рассмотрели все схемы двигателей, которые применяются на современных серийных мотоциклах. За бортом осталась такая экзотика, как шестицилиндровые рядники и V-образники с нечетным количеством цилиндров. Мотоциклы, использующие такие моторные схемы, давно стали коллекционной диковинкой (а некоторые изначально являлись спортивными прототипами, получить доступ к двигателям которых могут лишь гоночные механики и инженеры), а посему представляют для нас чисто академический интерес. Если хотите кое-чего запредельного, наберите в поиске youtube “y2k”. Думаю, результат вас удивит…