Порівнюємо длінноходниє і короткоходниє мотори

1. Середня швидкість, і якою вона буває
2. Короткоходниє, длінноходниє і «квадратні» мотори
3. Чи не повсталі з пекла: як і чому вмирають мотори від перегріву і втрати олії
4. довгохідний прогрес
5. Капремонт турбодизеля Mitsubishi з пробігом 500 тисяч кілометрів: головка блоку циліндрів
6. дизелі
7. Роман з соляркою: чому Європа любила дизелі, а тепер перестала
8. Зворотній бік
9. Чому сучасні мотори ламаються частіше старих і перевірених
10. край суперечкам

Зізнайтеся, що ви часто бачили в тест-драйвах фрази про «типово короткоходний характер мотора» і не цілком розуміли, про що йде мова. Сьогодні ми нарешті розповімо, що таке коротко- і длінноходниє мотори, в чому різниця підходів до проектування двигунів, і чому зараз можна впевнено сказати, що «длінноходнікі» все-таки перемогли.

Середня швидкість, і якою вона буває

Д ля розуміння питання доведеться згадати трохи про конструкції ДВС і принципи його роботи. Ви напевно знаєте, що в основі будь-якої конструкції двигуна внутрішнього згоряння лежить вплив розширюються газів на поршень. Поршні можуть бути будь-якої форми і розмірів, але у будь-якого поршня є такий параметр, як середня швидкість, і від неї залежить дуже і дуже багато.

Середня швидкість поршня - це величина, яку можна визначити за формулою Vp = Sn / 30, де S - хід поршня, м; n - частота обертання, хв-1. І саме вона визначає ступінь можливого форсування двигуна за оборотами, прискорення елементів шатунно-поршневої групи під час роботи, а також його механічний ККД.

Від середньої швидкості поршня залежать навантаження на стінку поршня, на поршневий палець, шатун і колінвал. Причому залежність ця квадратична: зі збільшенням швидкості (Vp) в два рази навантаження збільшуються в чотири рази, а якщо в три - то в дев'ять разів.

Експерименти інженерів-мотористів вже дуже давно довели, що класична конструкція шатунно-поршневої групи витримує максимальну швидкість близько 17-23 м / с. І чим вище ця величина, тим швидше зношується мотор. Збільшити швидкість поршня практично неможливо - самі полегшені гоночні двигуни Формули-1 мали швидкість порядку 23-25 ​​м / с, і це шалено багато. Цього вдалося досягти тільки тому, що «формульні» мотори розраховані на дуже коротку експлуатацію - від них не потрібно «ходити» по 100 000 км.

Від теорії - до практики. Як відомо, потужність мотора - це похідна від крутного моменту, помноженого на обороти (про це я писав велику статтю з таблицями і графіками ). Тобто, якщо ми хочемо отримати більше потужності, то треба збільшувати обороти. А так як швидкість поршня обмежена, то у нас не залишається іншого вибору, окрім як зменшити його хід. Чим менше відстань потрібно пройти поршню за один оборот, тим менше може бути його швидкість.

Короткоходниє, длінноходниє і «квадратні» мотори

Здавалося б, вище ми тільки що озвучили два прекрасних аргументу для максимального зменшення ходу поршня. До того ж, чим менше хід поршня, тим більше діаметр циліндра при тому ж обсязі, і тим більші клапани можна поставити. Поліпшується газообмін, а значить, і робота мотора в цілому ... Але, як виявилося, безмірно зменшувати хід теж не можна.

Чим менше хід, тим більше повинен бути діаметр циліндра, якщо ми хочемо зберегти обсяг. А ось форма камери згоряння з ростом діаметра циліндра погіршується, співвідношення обсягу камери і площі неминуче зростає, збільшується коефіцієнт залишкових газів, зростають теплові втрати, погіршується згоряння палива ... ККД падає, схильність до детонації підвищується, погіршуються економічність і екологічність.

При зменшенні ходу поршня знижується, до того ж, і діаметр кривошипа колінчастого вала, а отже, зменшується крутний момент мотора. Погіршуються і масогабаритні параметри двигунів - вони стають куди більші в горизонтальному перетині. До того ж для збереження робочого об'єму доводиться збільшувати число циліндрів, а це вже веде до різкого підвищення складності конструкції. Загалом, потрібен був компроміс.

Основні завдання проектування моторів вирішили до 60-х років минулого століття, тоді ж намацали межі міцності конструкції по середній швидкості поршня. Стало ясно, що оптимальні параметри потужності, загального ККД і габаритів у атмосферного мотора виходять в тому випадку, якщо діаметр циліндра дорівнює ходу поршня або трохи менше.

На фото: двигун Nissan Qashqai

Якщо вони збігаються, то такі мотори ще називають «квадратними». Мотори, у яких діаметр циліндра все-таки більше ходу поршня, називають короткоходнимі, а ті, у яких він менше, - довгохідними.

Уважний читач скаже: стоп, а звідки взагалі взялися короткоходниє мотори, якщо експерименти довели, що найефективніше «квадратні» або трохи длінноходниє ?! Все просто: короткоходнікі набули поширення в автоспорті. Там витрата палива і прийомистість на низьких оборотах не сильно «робили погоду», і можна було пожертвувати ККД заради досягнення більшої потужності на високих оборотах при збереженні малого робочого об'єму.

Для отримання кращої паливної економічності, тяги і чистоти вихлопу, навпаки, хід поршня збільшували, жертвуючи оборотами і максимальною потужністю. Длінноходниє мотори застосовували там, де були потрібні тяга і економічність.

Тим часом, до 80-х років середню швидкість поршня в серійних моторах довели до межі в 18 м / с, далі її збільшувати не виходило. Така ситуація збереглася до 90-х, коли вимоги до масогабаритні і економічними характеристиками моторів різко зросли.

довгохідний прогрес

90-ті роки - це в першу чергу масове впровадження нових екологічних норм, різке підвищення маси кузова автомобілів через нові вимог з пасивної безпеки, а заодно і зрослі вимоги до габаритів і економічності силових агрегатів. Машини ставали просторіше зсередини і безпечніше у всіх сенсах.

А двигунів доводилося встигати за прогресом. Масовий перехід на багатоклапанні головки блоків циліндрів підвищив потужність і зробив мотори чистіше. Середній робочий об'єм двигуна постаралися зменшити і тим самим виграти у витраті палива і габаритах. Прогрес в області конструювання поршневий групи дозволив зменшити висоту поршня і збільшити довжину шатуна, зробивши більше механічний ККД мотора.

Отже, стало можливо перейти до більш длінноходниє конструкцій, які при тому ж робочому обсязі були компактніше, мали більший крутний момент і до того ж стали економічніше. Полегшення поршневий групи дозволило знизити навантаження на неї при високих оборотах, а масове впровадження турбонаддува і регульованого впуску - ще й виграти в максимальній потужності і тязі. Помірно длінноходниє мотори від цього тільки виграли.

У 2000-і в стані двигунів об'ємом від 2 літрів намітився перелом в переході від «квадратів» до длінноходниє конструкціям. І ось вам кілька прикладів. При робочому об'ємі 2 літри мотори VW серії ЕА888 (стоять на безлічі моделей концерну від Skoda Octavia до Audi A5) мають хід поршня 92,8 мм при діаметрі циліндра 82,5, а 2-літрові мотори Renault серії F4R (найбільше відомий по Duster ) - 93 мм і 82,7 відповідно. Мотори Toyota об'ємом 1,8 л серії 1ZZ (Corolla, Avensis і ін.) - ще більш длінноходниє, їх розмірність 91,5х79.

На фото: двигун Volkswagen Golf GTI

Робочі обороти таких двигунів помітно зменшилися, особливо у турбонаддувних, знизилися і обороти максимальної потужності. А значить і зниження механічного ККД вже не настільки важливо, зате переваги очевидні. За габаритами мотори лише трохи більше «класичних» 1,6 з недавнього минулого, а по тязі і витраті палива набагато перевершують однооб'ємних попередників.

В сучасних моторах намагаються поєднувати високу ефективність роботи длінноходниє моторів і підвищений механічний ККД короткоходних. Так, в ультрасучасному (але тим не менше вже знімається з виробництва) моторі BMW серії N20В20 (стоять на 1-й, 3-й, 5-й серіях, X1 і X3) застосовується несиметрична поршнева група, в якій вісь колінчастого вала і вісь поршневих пальців зміщені щодо осі циліндрів. Тут використовуються регульований маслонасосів, плазмового напилення циліндрів, бездросельною впуск і інші технічні «фокуси» для зниження механічних втрат і опору впуску. Розмірність цього длинноходная мотора 90,1х84, і ніхто не скаже, що у нього погані характеристики хоч у чомусь, крім надійності.

дизелі

Дизельні мотори, які в силу особливостей робочого циклу зазвичай є довгохідними і низькооборотної, виграли подвійно. Впровадження турбонаддува різко підняло крутний момент і дозволило знизити ступінь стиснення, а прогрес паливної апаратури і поршневої групи - ще й збільшити робочі обороти.

На фото: двигун Volkswagen Golf TDI

В результаті дизелі перевершили по літровій потужності атмосферні бензинові мотори, а по крутний момент - бензинові мотори з наддувом. Так, двигуни серії N57 (3-я, 5-а, 7-я серії, X3, X5 і ін.) Від BMW при діаметрі циліндра 84 мм та хід поршня 90 мм мають робочий об'єм 2,993 літра, потужність до 381 л. с. і 740 Нм крутного моменту. Середня швидкість поршня при цьому - 13,2 метра в секунду.

Зворотній бік

Звичайно ж, безпрограшних лотерей не буває, і чудовою високої віддачі домоглися ціною надійності - тут немає ніякого секрету. Старий принцип актуальний і понині: у «сильно длінноходниє» моторів висока середня швидкість поршня збільшує навантаження на стінки циліндра.

Звичайно ж, матеріали стають краще, але при порівнянні двигунів однієї серії з різними параметрами ходу поршня і діаметру циліндра помітно, що длінноходниє моделі більш схильні до зносу поршневих кілець і задирам циліндрів. І ресурс поршневої у них виявляється істотно нижче, ніж у більш «квадратних» побратимів.

А ось при порівнянні різних моторів все далеко не так однозначно. На моторах з алюмінієвим блоком і алюсіловим покриттям намагаються знизити навантаження на стінку циліндра в тому числі і зниженням ходу поршня, але, як правило, все одно ресурс виходить менше, ніж у моторів з чавунними гільзами або блоком.

Мотор Renault-Nissan серії M4R (Qashqai, Fluence і ін.), Який прийшов на зміну вже згаданому чавунному F4R, має хід поршня 90,1 мм при діаметрі циліндра 84 - він все ще довгохідний, але хід поршня значно скоротився. Габарити при цьому не збільшуються за рахунок більш тонкостінної конструкції блоку циліндрів.

На фото: двигун Renault Latitude

Сучасні двигуни не потребують високих оборотах для досягнення високої потужності, а економічність і екологічність стають дедалі важливішим. Нехай навіть в реальній експлуатації заявлені характеристики і не підтверджуються ... До того ж, можна шляхом ускладнення конструкції обійти безліч обмежень, які десятки років змушували робити вибір між потужністю і економічністю моторів.

Короткоходниє «крутильні» мотори просто вимирають, їм немає місця в новому світі. Навіть у Формулі-1 відмовилися від екстремальних конструкцій з робочими оборотами за 19 тисяч і співвідношенням діаметра циліндра і ходу поршня більше 2,4 до 1. Звичайно, для фанатів і гоночних серій випуск подібної техніки збережеться, але в практичному плані сенсу в ній вже немає . Перемога длінноходниє конструкцій, за рідкісним винятком, фактично відбулася.

Одним з небагатьох «оплотів короткоходности» до недавнього часу залишалися атмосферні V6 і V8 від Mercedes-Benz. Так, мотори серії М272 (E-Klasse W211, M-Class W164 і ін.) - відверто короткоходниє першій-ліпшій нагоді виконання. Наприклад, у 3-літрової версії співвідношення ходу до діаметру буде 82,1 до 88. Як і їх предки в особі М104, так і їх спадкоємці аж до М276, вони були уособленням успішних короткоходних моторів. Компанія не прагнула до зайвої компактності моторів, місця було достатньо, а моменту у двигунів об'ємом 3-3,5 літра і так вистачало з запасом. Городити длинноходную конструкцію не було сенсу.

Але нове покоління двигунів AMG серій М133 / М176 з наддувом стали довгохідними - 83х92 мм, як і перспективна рядна шістка 3,0 з наддувом серії М256 - 83х92,4 мм.

На фото: двигун Mercedes-AMG CLA 45 4MATIC

З «могікан» залишаються хіба що мотори GM, їх блок V8 6,2 Vortec / L86 / LT1 все ще не прагне до компактності, маючи розмірність 103,25х92 мм, і навіть компресорна версія LT4 зберігає ту ж розмірність блоку. Але це, швидше за все, теж ненадовго.

край суперечкам

Даунсайз, наддув, безпосереднє уприскування, гладка моментная характеристика, високий крутний момент, регульований ГРМ і просунуті трансмісії створили маленьке диво. Спори «довгохідний або короткоходний» вже більше не актуальні.

Мотори раптом додали в літровій потужності до кордонів, що раніше вважалися можливими тільки для спеціально підготовлених гоночних моторів. Побачивши цифри в 120-150 л. с. з літра обсягу, ми вже не дивуємося, і навіть 200 л. с. на літр здаються цілком реальними, а «смішний» паспортний витрата палива для потужної і важкої машини здається цілком реальним. Дизельні двигуни з «гидких каченят» перетворилися в прекрасних лебедів з літрової потужністю навіть більшою, ніж у бензинових двигунів.

Багато в чому все це, плюс зменшення габаритів і ваги моторів, стало можливим завдяки длинноходной конструкції. Остаточно оформився тренд навряд чи зламається, особливо з урахуванням прогнозованого витіснення ДВС електромоторами і різноманітними «удлинителями дистанції».