Вы когда-нибудь задумывались об ограничениях скорости вращения двигателя? Выяснилось, что самый раскручиваемый мотор развивает около 20 000 оборотов в минуту. Почему так то?
Сейчас мы разберемся, что ограничивает скорость вращения двигателя, как двигатель может быть сконструирован, чтобы крутится быстрее и почему так сложно дотянуться до потолка в 20000 оборотов.
Что такого крутого в том, чтобы быстро крутить мотор, ну помимо звука и законного права хвастаться? Дело в получении лошадок, лошадиная сила - это момент умноженные на количество оборотов в минуту,
что значит пока двигатель производит крутящий момент, чем быстрее он крутится, тем больше мощности он выдает.
Но у всех моторов есть ограничения того, как быстро они могут крутиться. Как правило, из-за трения, тепла и износа, эти проблемы затрагивают всё, от реактивных турбин до электромоторов, но некоторые из них могут превысить и миллион оборотов в минуту.
Так почему же поршневые двигатели с горем пополам достигают двадцати тысяч оборотов?
Ну есть целые три основные проблемы и не важно, взять хоть camry, хоть Mercedes W10 из формулы 1, все поршневые двигатели превращают топливо в лошадиные силы, используя все те же четыре действия:
- сосать
- сжать
- бахнуть
- выдуть
Каждое действие начинается с полной остановки поршня в верхней мертвой точке или нижней мертвой точке. Поршень разгоняется с нуля до своей предельной скорости, которая достигает 150 километров в час или же 42 метра в секунду,
а потом замедляется снова до нуля, чтобы поменять направление для следующего такта.
Это дает нам первый ограничивающий фактор того, как быстро двигатель может крутиться, нам надо победить возвратно-поступательно движущуюся массу, подвижный объект, имеет вес, равный его массе, умноженной на количество ускорение свободного падения действующих на него. Но сколько там весит поршень, может грамм 500? Насколько это может быть плохо? Ну возьмем V-образный восьмицилиндровый Cosworth, двигатель Формула 1, это один из немногих двигателей, когда-либо развивавших 20 000 оборотов в минуту, на этой скорости поршень разгоняется, замедляется и меняет направление около 600 раз в секунду, что эквивалентно перегрузки в 9 500 G, что придает 500 граммовому поршню, вес около 4 750 ньютонов.
Но только лишь поршень страдает от воздействий этих сил?
Нет, еще поршневые пальцы, шатуны, коленвал и подшипники, им всем надо выдерживать это быстрое ускорение и замедление поршня.
И так одна из причин, почему поршневые двигатели имеют ограничение того, как быстро они могут вращаться, это потому, что свыше определенной скорости, разогнанный без поршня сломает основные компоненты нижней части двигателя, но мы можем решить эту проблему воздействия возвратно-поступательный массы, путем упрочнения всего, можно усилить низ, чтобы справиться с дополнительными усилиями, которые приходят с большими скоростями вращения, используя кованые запчасти вместо литых к примеру, но крепче, зачастую значит тяжелее и все нижней части также движутся или вращаются, так что, по большому счету вам надо найти соотношение, между прочностью и низким весом, вы можете перейти на материалы, которые прочнее и легче, но это будет дороже.
И так, мы плавно перешли ко 2 проблеме - зависание клапана.
Ограничение из-за элементов поршневой группы, это не единственная причина, по которой у двигателя есть предел оборотов, верхняя часть, тоже не без греха и вторая проблема, которую создают высокие обороты - это зависание клапана. Чтобы открыть клапан, его нужно толкнуть,
когда кулачок или коромысло давят на стержень клапана, они толкают его внутрь цилиндра, как только кулачок распредвала или коромысло больше не оказывают давления, клапан закрывается,
за счет пружины, поэтому клапан - это тоже возвратно-поступательная масса, он двигается в одном направлении, останавливается и меняет направление, что занимает время.
В верхневальных моторах, это собственно и вся конструкция, но в случае со штанговым нижневальным мотором, например Small Block от Chevrolet, толкатели, штанги и коромысло, тоже ходят туда-сюда. Стержень клапана должен находиться в постоянном контакте с кулачком распредвала или же толкателем, даже когда закрыт, но пружинам нужно какое-то время для разжимания, если распредвал двигается слишком быстро из-за того, что двигатель быстро вращается, клапан остается открытым слишком долго, выдвинутым внутрь цилиндра, когда это не нужно. Или же быстро открывается и закрывается, из-за не потухших колебаний пружины.
Когда клапан зависает, лучшим исходом развития событий будет то, что он будет открыт просто немного дольше, снижая эффективность, потому что цилиндр не надлежаще герметизируется для такта сжатия, но многих двигателей интерференционная конструкция, когда клапан и поршень занимает одно и то же место, просто в разное время.
Ну вы вероятно видите где здесь проблема. Если в такой двигатель крутится слишком быстро и клапан открыт излишне долго, поршень может ударить этот клапан, что называется блин дерьмовый день, это твой дерьмовый день, поверь он гнёт клапан и тебе надо проделать кучу ремонтных работ.
Так как же сделать, чтобы клапан мог закрываться на более высоких скоростях вращения и избежать зависание?
Вы можете использовать более жесткие пружины, чтобы клапан закрывался быстрее, конечно, это значит, что потребуется больше сил, чтобы открывать такие клапаны и открываться они будут медленнее. Решением в некоторых гоночных машинах, является использование пневматической пружины, поршень в наполненной азотом камере выталкивает клапан намного быстрее и не колеблется, как механическая пружина, недостаток - это гораздо более замороченная и дорогая система, чем традиционный верхний клапанные и или же верхневальный конструкции.
Вы могли уже проследить к чему все клонится, вещи ограничивающие скорость вращения двигателя, все относятся к бережно выставленному времени движение его частей, но не только время задействования элементов двигателя, должно быть точно выставлено.
Третья проблема на пути увеличение скорости вращения, это то, что само возгорание занимает какое-то время. Горение начинается в точке зажигания, которой в двигателе является свеча, оно движется от этой точки в виде процесса известного как, распространение пламени, линия движения горения называется фронтом пламени, скоростью движения, это скорость распространения пламени.
Каждый тип топлива, имеет собственную скорость горения, это скорость распространения пламени в определенных идеальных условиях.
Разные топлива, разная скорость горения, но скорость горения, это только начало, на скорость распространения пламени влияют еще: температура и давление, турбулентность топлива и распределения кислорода.
На 1500 оборотов и со степенью сжатия 12 к 1 скорость распространения пламени в бензиновом двигателе около 16,5 метров в секунду,
но с изменениями, температуры, турбулентности, топливо-воздушной смеси, скорость может варьироваться между 10-ю и 80-ю метрам в секунду, скорость движения поршня может достигать 40 метров секунду.
Можно сказать, что в определенных условиях, на больших оборотах, он может обогнать движение пламени, если это случится, то сгорание не окажет никакой силы на поршень и двигатель элементарно не сможет раскрутиться быстрее. Это своего рода, встроенный ограничитель оборотов, который особенно характерен для двигателя с длинным ходом поршня, из-за большей скорости поршня. По факту, одной из главных причин почему двигатель Формулы-1 могут так быстро крутится, потому что у них неимоверно короткий ход поршня, чуть больше 53 миллиметров - это два дюйма. Короткий ход сохраняет низкую скорость движения поршня, предотвращая обгоны фронта пламени и делает возвратно-поступательную массу, контролируемыми, без применения тяжелых элементов поршневой, когда ты достигаешь 20000 оборотов в минуту, это также увеличивает пространство для клапанов, а значит можно впихнуть больше воздуха в цилиндры. Широкий диаметр и короткий ход, это часть того, как двигателя Renault 2006 года для Формулы-1 могли раскрутиться до рекордных 20 500 оборотов в минуту, но также есть несколько недостатков и один из них это то, что с коротким ходом, очень мало мощности вырабатывается на низких оборотах, именно поэтому двигателя Формулы-1 имеют холостой ход 5000 оборотов, просто чтобы не заглохнуть и это, тоже одна из причин, по которой у нас нет двигателей крутящихся до 20 тысяч в наших машинах.