что такое литровая мощность двигателя

05.12.202321.04.2022 admin 0 Comments

Наддув без вариантов: почему у атмосферных моторов нет будущего

Летом организаторы международного конкурса «Двигатель года» (International Engine of the Year) назвали лучшие моторы 2016 года. Эксперты оценивали силовые агрегаты по нескольким параметрам: экологичность, динамические характеристики и расход топлива. При этом в тройке лидер ов не оказалось ни одного атмосферного агрегата. По результатам голосования победу одержал 3,9-литровый битурбо V8, который устанавливают на Ferrari 488 GTB. На втором месте оказалась гибридная силовая установка BMW i8, в составе которой тоже есть наддувный бензиновый мотор объемом 1,5 литра. Третьим стал шестицилиндровый турбированный двигатель Porsche, которым комплектуют спорткары 911. Повальный переход на турбированные моторы в мировом автопроме происходит отнюдь не для обеспечения высоких показателей мощности. По мнению специалистов НАМИ, все дело в экологических нормах, которые могут привести к исчезновению атмосферных моторов.

С атмосферных двигателей можно снять практически такую же удельную мощность, что и с турбированных. Самым высокопроизводительным безнаддувным мотором на текущий момент остается 4,5-литровый V8 от Ferrari 458 Speciale A, который выдает 605 лошадиных сил. Таким образом, удельная отдача агрегата составляет 134 л.с. с одного литра объема. Для сравнения, с 4,0-литрового V6 TFSI с двумя турбинами (Audi RS6) инженеры сняли 605 л.с. – 151 л.с. с одного литра объема.

В автомобильных двигателях без наддува литровая мощность выше 100 л.с. обеспечивается, в первую очередь, за счет повышения его предельных оборотов (быстроходности), пояснил директор Центра «Энергоустановки» ФГУП «НАМИ» Алексей Теренченко. В качестве примера кандидат технически наук вспомнил мотор мотоцикла Honda CBR400F (145 л.с./1 л), максимальная мощность которого достигается на 12 300 оборотах в минуту. Абсолютные рекордсмены здесь двигатели болидов Формулы-1, с которых снимают по 310 л.с. на 1 л, но уже на 19 000 оборотах.

Влияние на литровую мощность оказывают и другие факторы: степень сжатия, смесеобразование, сгорание. Например, в 1997 г. Alfa Romeo начала устанавливать на седаны 156 двигатели линейки Twin Spark, в которых было по две свечи на цилиндр. Моторы выдавали рекордную для европейского автопрома по тем временам удельную мощность. «Четверка» объемом 1,75 л обеспечивала 144 л.с., а 2,0-литровый мотор – 165 лошадиных сил. У японских брендов двигатели были еще производительнее. Например, в начале 1990-х Honda разработала DOHC i-VTEC объемом 1,6 л, который выдавал 160 лошадиных сил. При этом максимальная мощность достигалась практически на мотоциклетных оборотах – коленвал Honda Civic раскручивался до 8 тыс. оборотов в минуту. Позже на Honda S2000 появилась бензиновая «четверка» объемом 2,0 л с высокой степенью сжатия, которая выдавала 250 л.с. (125 л.с. на 1 л объема). В российском автопроме рекордсменом по удельной мощности является двигатель АвтоВАЗа под индексом 21127, которым комплектуется Lada Vesta (1,6 л, 106 лошадиных сил).

Представитель НАМИ, в свою очередь, пояснил, что все эти факторы, повышающие отдачу мотора, имеют второстепенное значение. «Быстроходность двигателя ограничивает процесс газообмена, для улучшения которого стремятся увеличить число цилиндров, уменьшить отношение хода поршня к диаметру цилиндра, увеличить количество клапанов на цилиндр, повысить пропускную способность выпускной и особенно впускной системы», — уточнил Теренченко.

Автопроизводители и дальше продолжили бы совершенствовать атмосферные моторы, если бы не жесткие экологические нормы, ограничивающие уровень выбросов СО2 в атмосферу. Одним из самых популярных способов для выполнения требований, помимо сокращения веса автомобилей, является уменьшение рабочего объема двигателей. «При уменьшении рабочего объема пропорционально снижается его мощность и, соответственно, ухудшаются ездовые качества автомобиля. Чтобы избежать этого, крутящий момент и мощность двигателя восстанавливают до уровня двигателя большего литража за счет применения турбонаддува», — объяснил кандидат технических наук, добавив, что в обычном режиме такой мотор работает, как малообъемный «атмосферник».

При этом повышение предельных оборотов мотора также позволяет восстановить мощность, однако крутящий момент в этом случае будет низким. Именно по этой причине форсирование двигателя за счет применения турбонаддува более эффективно, чем повышение быстроходности силового агрегата.

При этом, пояснил представитель НАМИ, нет прямой зависимости между форсировкой двигателя при помощи турбины и его надежностью – все зависит от условий эксплуатации. У атмосферных двигателей обратная ситуация: долговечность мотора во многом связана с его литровой мощностью. «С увеличением оборотов и, соответственно, литровой мощности, растут инерционные нагрузки, трение и износ основных деталей, поэтому надежность снижается», — рассказал Алексей Теренченко.

Например, срок службы атмосферного двигателя Формулы-1 равен 1 тыс. км, в то время как на массовых автомобилях эта цифра в среднем составляет 150 тыс. километров. НАМИ также работает над повышением удельной мощности двигателей. По прогнозам разработчиков, реально добиться цифр порядка 125-135 л.с. на 1 л объема за счет применения разных комбинаций новых и традиционных технологий. В том числе, регулируемого клапанного привода, регулируемой степени сжатия, непосредственного впрыска топлива в цилиндры, турбонаддува, гибридизации и электрификации силового агрегата. В моторе будущего флагмана проекта «Кортеж» также предусмотрен целый ряд технических инноваций, но едва ли он будет атмосферным.

Источник

Литровая мощность и основные методы форсирования

Литровая мощность представляет собой эффективную номинальную мощность, которая снимается с единицы общего рабочего объема двигателя. Формула для расчета: Nл = Ne/iVh = pen/(30t).

От литровой мощность будут зависеть следующие характеристики: рабочий объем, габариты и масса двигателя. То есть, чем больше будет литровая мощность, тем меньше будет рабочий объем, масса и габариты двигателя, при условии, что номинальная мощность будет одинаковой.

Благодаря литровой мощности можно оценить степень форсированности. Если двигатель имеет высокое значение Nл, то его можно назвать форсированным.

Повышение литровой мощности

Форсированием двигателя называют комплекс специальных технических мероприятий, которые способствуют повышению литровой мощности.

Существует несколько способов форсирования двигателей. Они следуют из следующего выражения: Nл будет увеличиваться вместе с увеличением номинальной величины частоты вращения, при использовании двухтактного рабочего процесса и при увеличении среднего эффективного давления.

Посредством увеличения номинальной величины частоты вращения увеличивается литровая мощность в карбюраторных двигателях. Для представителей современных моделей может использоваться количество оборотов до 6500 в минуту и выше.

У дизельных грузовых автомобилей номинальная частота вращения не превышает 2600 оборотов в минуту. Именно поэтому литровая мощность дизельных двигателей без наддува не превышает уровня от 12 до 15 кВт/л, что значительно ниже по сравнению с аналогичным показателем карбюраторного двигателя, мощность которого варьирует от 20 до 50 кВт/л.

В настоящее время удается преодолеть трудности при форсировании по частоте вращения во многих конструкциях легковых автомобилей. Сейчас все больше и больше двигателей дизелей появляется с показателем номинальной мощности от 4500 до 5500 оборотов в минуту, при литровой мощности до 20 кВт/л.

Форсирование по частоте вращения для дизелей значительно реже встречается, чем для карбюраторных двигателей. Для последних такой способ повышения показателя литровой мощности можно назвать одним из основных.

Если провести анализ зависимости, то видно, что при переходе от 4-тактного рабочего цикла к 2-тактному литровая мощность может увеличиться до двух раз.

На самом деле, этот показатель увеличивается в 1,5-1,7 раза из-за использования лишь небольшой части от всего рабочего объема на процессы снижения качества очистки, газообмена, а также на наполнение цилиндров. Еще одним фактором является дополнительная затрата энергии на осуществление привода продувочного насоса.

Достоинства двухтактного двигателя

Существенным достоинством двухтактного двигателя является большая литровая мощность – около 50-70%. Неиспользование части от всего рабочего объема с целью получения индикатной работы может привести к тому, что они обладают более низкими энергоэкономическими показателями, по сравнению с четырехтактными двигателями.

Недостатки двухтактных ДВС

К недостаткам двухтактных ДВС можно отнести:

Огромным недостатком двухтактного карбюраторного двигателя является потеря небольшой части горючей смеси за время продувки цилиндра. Это сильно снижает показатели экономичности.

Мероприятия по повышению литровой мощности

Особое место среди таких мероприятий можно отвести форсированию двигателей по показателю среднего эффективного давления рс.

Существенного увеличения Nл при помощи повышения рс можно достигнуть лишь в том случае, если существенно увеличивается тепловая нагруженность в рабочем цикле из-за подвода к рабочему телу очень большого количества теплоты.

При этом необходимая подача в цилиндр несколько большего количества топлива требует полного сжигания топлива, а также большого количества окислителя. При этом возрастает цикловая подача qп. На практике это можно реализовать только путем увеличения количества свежих зарядов, которые будут нагнетаться в цилиндр двигателя под высоким давлением.

Такой способ называется наддув двигателя. При этом ре будет возрастать почти пропорционально по отношению к увеличению плотности этих свежих зарядов.

Недостатки наддува двигателя (приводный компрессор)

Одним из существенных недостатков такой системы является снижение экономичности двигателя, которое обусловлено необходимостью затрат большей энергии на привод компрессора.

На практике среди современных двигателей наибольшее распространение получил такой тип наддува, как газотурбинный наддув.

В такой центробежном компрессоре будет использоваться энергия ОГ, которая срабатывает в газовой турбине, которая конструктивно объединена с компрессором в единый агрегат, называемый турбокомпрессором.

Между агрегатом наддува и коленчатым валом в двигателе при газотурбинном наддуве нет механической связи. Применение турбокомпрессора будет заметно ухудшать приемистость двигателя, а также тяговые характеристики. Это объясняется инерционностью системы роторов турбокомпрессора, уменьшением количества энергии отработавших газов во время малых нагрузок, из-за чего в начале разгона не будет обеспечиваться подача в цилиндр необходимого количества свежего заряда. Чтобы преодолеть эти недостатки, очень часто возникает необходимость использовать комбинированный наддув.

Система комбинированного наддува

Такая система может использоваться в различных конструктивных вариантах. Она чаще всего представляет собой некоторые комбинации наддува с использованием приводного компрессора и газотурбинным наддувом. Чтобы повысить плотность свежего заряда, который будет подаваться в цилиндр двигателя, во многих случаях используют колебательные явления в системе газообмена, то есть пульсации РТ, происходящие в системе выпуска и впуска. Они являются результатом прохождения циклов следования процессов газообмена в цилиндрах. Рассмотрим на примере. Впускному парубку нужно задать такие конструктивные параметры (площадь и длину проходимого сечения), которые перед закрытием клапана около него смогут создать волну сжатия, чтобы масса заряда, поступающего в цилиндр, значительно увеличилась.

Аналогичного эффекта можно получить в результате настройки выпускного трубопровода, чтобы создать вблизи него волну разрежения при открытом выпускном клапане. Благодаря таким действиям будет улучшена очистка цилиндров, так как будет поступать большее количество свежих зарядов.

Если будет сделан правильный выбор геометрических параметров, системы газообмена в разных случаях при помощи динамического наддува можно увеличить мощность двигателя автомобиля от 15 до 25%. Во время использования наддува увеличивается тепловая и механическая напряженность элементов, которые формируют камеру сгорания, а это один из основных факторов, которые ограничивают возможное увеличение плотности в свежем заряде, который поступает в цилиндр. Именно поэтому следует заранее учитывать все возможные последствия, которые могут произойти из-за роста механических или тепловых нагрузок на элементы двигателя.

Источник

Что такое мощность двигателя, крутящий момент и удельный расход топлива

Изобретенный более 100 лет назад поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), на сегодняшний день все еще является самым распространенным в автомобилестроении. При выборе модели двигателя своего будущего автомобиля покупатель может предварительно ознакомиться с его основными характеристиками. В этой статье мы подробно расскажем об основных показателях двигателей внутреннего сгорания, что они собой представляют и как влияют на работу.

Основные показатели двигателя

Сгорание топлива происходит внутри ДВС, в специальной камере цилиндра. Это приводит в движение поршень, который, совершая циклические возвратно-поступательные движения, проворачивает коленчатый вал. Таков упрощенный принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Основные характеристики ДВС можно оценить тремя основными показателями:

Рассмотрим более подробно каждый из этих показателей.

Что такое мощность двигателя

Под мощностью следует понимать физическую величину, которая показывает совершаемую двигателем работу за единицу времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения коленчатого вала. Обычно она указывается в лошадиных силах (л.с.), но встречается измерение и в кВт.

Существует несколько единиц измерения под названием «лошадиная сила», но, как правило, имеется в виду так называемая «метрическая лошадиная сила», которая равная ≈ 0,7354 кВт. А вот в США и Великобритании лошадиные силы, касающиеся автомобилей, приравнивают к 0,7456 кВт, то есть как 75 кгс*м/с, что приблизительно равно 1,0138 метрической.

Если же конвертировать мощность 1 лошадиной силы в киловатты (в промышленности или энергетике), то она будет примерно равна 0,746 кВт. Понятие лошадиная сила не входит в международную систему измерений (СИ), поэтому измерение мощности в кВт будет более правильным.

Чем больше мощность, тем большую скорость сможет развить автомобиль.

Виды мощности

Для определения характеристик двигателя применяют такие понятия мощности как:

Индикаторной называют мощность, с которой газы давят на поршень. То есть, не учитываются никакие другие факторы, а только давление газов в момент их сгорания. Эффективная мощность, эта та сила, которая передается коленчатому валу и трансмиссии. Индикаторная будет пропорциональной литражу двигателя и среднему давлению газов на поршень.

Эффективная мощность двигателя будет всегда ниже индикаторной.

Также есть параметр, называемый литровой мощность двигателя. Это соотношение объема двигателя к его максимальной мощности. Для бензиновых моторов литровая мощность составляет в среднем 30-45 кВт/л, а у дизельных – 10-15 кВт/л.

Как узнать мощность двигателя автомобиля

Конечно, значение можно посмотреть в документах на машину, но иногда требуется узнать мощность автомобиля, который подвергался тюнингу или давно находится в эксплуатации. В таких случаях не обойтись без динамометрического стенда. Его можно найти в специализированных организациях и на станциях техобслуживания. Колеса автомобиля помещаются между барабанами, создающими сопротивление вращению. Далее имитируется движение с разной нагрузкой. Компьютер сам определит мощность двигателя. Для более точного результата может понадобиться несколько попыток.

Что такое крутящий момент

Крутящий момент двигателя рассчитывается по формуле: M = F*R, где F – это сила, с которой давит поршень, R – длина плеча (рычага). В нашем случае плечом будет расстояние от оси вращения коленчатого вала до места крепления шатунной шейки. Этот параметр измеряется в ньютонах на метр (Hм). 1H соответствует 0,1 кг, который давит на конец рычага длиной в метр.

Крутящий момент ДВС характеризует показатель силы вращения коленчатого вала и определяет динамику разгона автомобиля.

Что такое расход (удельный расход) топлива

Удельный расход топлива двигателя – это количество топлива, затрачиваемое для производства определенного количества энергии. Чем расход ниже, тем рациональнее будет использоваться топливо. Расход связан с эффективностью двигателя. Один двигатель может иметь разный расход топлива в зависимости от скорости и нагрузки.

Внешняя скоростная характеристика (ВСХ)

Внешняя скоростная характеристика двигателя показывает зависимость мощности, расхода топлива и крутящего момента от числа оборотов коленвала. Все эти параметры показываются графически в виде кривых.

На рисунке можно видеть кривые с обозначениями Pe – мощность двигателя, Mе – крутящий момент, ge – удельный расход топлива. Как видно, с ростом числа оборотов и мощности увеличивается расход топлива. Крутящий момент растет до определенного уровня, а затем идет на спад. В точке, где наиболее эффективный крутящий момент и мощность двигателя, будет самый оптимальный показатель расхода топлива.

Производители моторов борются за то, чтобы максимальный крутящий момент двигатель развивал в как можно более широком диапазоне оборотов («полка крутящего момента была шире»), а максимальная мощность достигалась при оборотах, максимально приближенных к этой полке. Такой двигатель и из болота вытянет, и в городе позволяет быстро ускоряться.

Внешняя скоростная характеристика дает оценку динамическим характеристикам автомобиля, определяет КПД и топливный расход при разных параметрах.

Высокий крутящий момент на более низких оборотах увеличивает тяговую силу агрегата, грузоподъемность и проходимость.

Роль мощности и крутящего момента двигателя

Для обеспечения лучших динамических показателей двигателя, производители стараются наделить силовой агрегат максимальным крутящим моментом, который будет достигаться в более широком значении оборотов двигателя.

Чтобы правильно оценить роль этих двух понятий, стоит обратить внимание на следующие факты:

Источник

Мощность двигателя — как работает и что это такое,на что влияет

Важнейшими характеристиками двигателя являются его мощность, крутящий момент и обороты, при которых эта мощность и крутящий момент достигаются.

Обороты двигателя

Под широкоупотребимым термином «обороты двигателя» имеется в виду количество оборотов коленчатого вала в единицу времени (в минуту).

И мощность, и крутящий момент — величины не постоянные, они имеют сложную зависимость от оборотов двигателя. Эта зависимость для каждого двигателя выражается графиками, подобными нижеследующему:

Производители двигателей борются за то, чтобы максимальный крутящий момент двигатель развивал в как можно более широком диапазоне оборотов («полка крутящего момента была шире»), а максимальная мощность достигалась при оборотах, максимально приближенных к этой полке.

Мощность двигателя

Чем выше мощность, тем большую скорость развивает авто

Мощность — это отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения.

Мощность двигателя последнее время все чаще указывают в кВт, а ранее традиционно указывали в лошадиных силах.

Как видно на приведенном выше графике, максимальная мощность и максимальный крутящий момент достигаются при различных оборотах коленвала. Максимальная мощность у бензиновых двигателей обычно достигается при 5-6 тыс. оборотов в минуту, у дизельных — при 3-4 тыс. оборотов в минуту.

График мощности для дизельного двигателя:

Крутящий момент

Крутящий момент характеризует способность ускоряться и преодолевать препятствия

Крутящий момент (момент силы) — это произведение силы на плечо рычага. В случае кривошипно-шатунного механизма, данной силой является сила, передаваемая через шатун, а рычагом — кривошип коленчатого вала. Единица измерения — Ньютон-метр.

Иными словами, крутящий момент характеризует силу, с которой будет вращаться коленвал, и насколько успешно он будет преодолевать сопротивление вращению.

На практике высокий крутящий момент двигателя будет особенно заметен при разгонах и при передвижении по бездорожью: на скорости машина легче ускоряется, а вне дорог — двигатель выдерживает нагрузки и не глохнет.