Основные параметры двигателя

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 параметры двигателя

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 е_д — это отношение объе­ма над поршнем при его положении в нижней мертвой точке (НМТ) к обкому камеры сгорания. А эффективная степень сжатия e_e 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 N, кВт, и крутящий момент М_o. Эти величины связаны меж­ду собой соотношением:

 

где n — частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; М_o — 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 С — «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

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.