Средняя скорость поршня двигателя определяется выражением
Обновлено: 04.11.2024
Приветствую читающих!
В сегодняшней теме хочу поднять некоторые аспекты «строительства» двигателей. Взял слово строительства в кавычки, ибо речь пойдет о настройке. Последнее время читаю БЖ некоторых товарищей — раскрутил (настроил) двигатель до 10.000 об/мин, мощность до небес, ресурс — одна гонка. УПС!
В чем же дело? Как двигатели Формулы 1 крутятся до 20.000 об/мин? Какие параметры надо учитывать при настройке двигателя чтоб сохранить баланс мощность-ресурс? Вот об этом и хочу поговорить сегодня.
Для примера рассмотрим несколько двигателей. И раз уж наша марка Митсубиси, то и ссылаться будем на двигатели Митсубиси. Но все нижесказанное относится к любому двигателю. Уточнюсь – к любому четырехтактному двигателю.
Итак. Один из важнейших параметров мощности это обороты двигателя. Объясню популярно как завязаны обороты в формуле мощности. Мощность показывает какая работа произведена за единицу времени.
Где N – мощность, А – работа, t – время.
Работа выражается в Джоулях, время в секундах, мощность в Ваттах.
Работу – выделяемое тепло, мы трогать не будем. Условно, работа (выделяемое тепло) одинаково в каждом цикле сгорания, примем это за константу для простоты. То есть, исходя из формулы мощности, работа постоянная величина, как увеличить мощность? Значит надо уменьшить время. Некоторые товарищи говорят, время не поддается изменению. Это не совсем так в физических формулах., а вернее совсем не так. Любой параметр можно менять. Простой пример. Четырехтактный двигатель при 1000 об/мин
1000 об/мин делим на 60 секунд.
1000 / 60 = 16.6 (оборотов в секунду)
Теперь можно узнать сколько времени требуется на цикл. Секунду делим на 16.6 оборотов. Так как значения получаются крохотные, то секунду разбивают на миллисекунды (тысячная часть секунды).
1000 / 16.6 = 60.2 (мс)
И так как за один оборот происходит два цикла, то полученный результат делим на два.
То есть один цикл на 1000 об/мин равен 30 мс. Результат округлял.
Теперь посмотрим тоже самое на 6000 об/мин.
6000 / 60 = 100 (оборотов в секунду)
1000 / 100 = 10 (мс)
10 / 2 = 5 (мс)
Таким образом, на 6000 об/мин длина цикла составляет 5 мс.
Как видите, при нажатии на педаль газа, в физической формуле мощности изменился параметр времени. Было 30мс на цикл, стал 5мс на цикл. Мощность выросла.
То есть судя по формуле можно раскрутить мотор до безумных величин и получить невероятную мощность. Что в принципе и делают инженеры. Но нельзя бесконечно раскручивать мотор. Тут вступают другие законы. Я не трогаю процессы смесеобразования, ибо с уменьшением времени цикла все труднее и труднее заполнить цилиндр смесью.
Все вы представляете что есть двигатель и какие процессы в нем происходят. Если перефразировать, что есть обороты для двигателя? Это возвратно поступательные движения поршня преобразованные во вращение коленвала. Таким образом, поршень проходит какой то путь от ВМТ до НМТ и обратно за один оборот. Этот путь можно посчитать и вычислить скорость поршня в определенный момент времени. А от этого уже вычислить до какой степени можно повысить обороты без ущерба для двигателя.
Для вычисления нам нужно знать ход поршня в мм и перевести его в метры. Например: двигатель 4G69 ход поршня 100мм или 0.1м.
Для вычисления скорости поршня есть формула
V = (C x g) / 30
Где
V – скорость поршня
С – ход поршня в метрах
g — обороты в минуту
30 – постоянная величина. (это полминуты. Можно указывать 60, но надо увеличивать в 2 раза ход поршня, ибо за 1 оборот поршень делает 2 движения)
Подставляем значение 0.1м в формулу и например на 6000 об/мин получаем скорость поршня 20 м/с
(0.1 х 6000) / 30 = 20 м/с
По этой формуле можно посчитать скорость поршня любого двигателя на любые обороты. Вот тут то и выходит один из самых важных вопросов. До какой степени можно раскрутить мотор? Критическая скорость равна 23 м/с.
После этого многократно возрастает износ и риск разрушения мотора. Это скорость для современных моторов. Раньше она была еще ниже. Спросите как же крутятся двигатели формулы один под 20.000 об/мин. Во первых, 20-22 тысячи крутились только 12 цилиндровые моторы. Когда их запретили, то больше 19.000 об/мин не крутятся, а то и ещё меньше.
Возьмем для примера мотор по регламенту 2006г (Toyota RVX – 06)
8 цил. 2.4л ход поршня 37 мм, диаметр цилиндра 98 мм. 760л.с. при 19.000 об/мин
(0.037 х 19.000) / 30 = 23.4 м/с
При этом учтите, что формульные моторы используют двухколечную систему поршней. Но тем не менее, скорость поршня в критических моментах не превышает 24-25 м/с.
Еще раз повторюсь, критичная скорость для трехколечного поршня 23 м/с.
Можете спорить и приводить аргументы, но это на данный момент не преодолимая величина. Её можно превысить конечно, но двигатель не живет долго. Ресурс будет исчисляться буквально минутами.
Из вышенаписанной формулы можно вывести другую формулу
где
g — обороты двигателя
V – скорость поршня (м/с) (мы приняли максимум 23м/с)
С – ход поршня (м)
30 – постоянная величина.
Таким образом подставляя ход поршня 4g69 (0.1м) в формулу получаем
23 х 30 / 0.1 = 6900 об/мин
То есть критическая скорость для 4g69 это 6900 об/мин. Вы можете посчитать любой мотор. Для примера несколько двигателей Митсубиси и критические обороты:
4g63 ход поршня 88 мм (2л) 4 цил — 7840 об/мин
4g69 ход поршня 100 мм (2.4л) 4 цил — 6900 об/мин
6a13 ход поршня 80.8мм (2.5л) 6 цил — 8540 об/мин
6g75 ход поршня 90 мм (3.8л) 6 цил — 7666 об/мин
8а80 ход поршня 96.8 (4.5л) 8 цил — 7128 об/мин
Как видите, чем больше цилиндров при одинаковом объеме, тем выше обороты можно развить.
В самом начале упомянул о том что это относится к четырехтактным двигателям. Почему? Да потому что двухтактники заткнут за пояс любой четырехтактник и по оборотам и по литровой мощности, в том числе двигатели Формулы 1. Для примера, двигатели гоночной серии КZ и KF в картинге развивают скорость поршня 35 м/с и мощность 65 л.с при объеме 125см3, при этом литровая мощность составляет 520л.с. И это без каких либо турбо или чарджеров, чисто атмосфера.
В следующий раз рассмотрим низ двигателя, а именно коренные и шатунные шейки. Как рассчитать обороты, какая связь между оборотами и давлением на опору, и почему задирает вкладыши при исправном маслонасосе?
Всем мира.
Читайте также: