>>> Перейти на полный размер сайта >>>

Учебное пособие

Гоночные мотоциклы

       

15. Уменьшение потерь в работе двигателя

Из многочисленных требований, предъявляемых к транспортным двигателям внутреннего сгорания, наиболее важными для гоночного мотоцикла являются высокая мощность и хорошая приемистость, малая масса и надежность (хотя бы в пределах ограниченного срока службы).

Первое требование вытекает из назначения гоночного мотоцикла; только увеличение мощности наряду с уменьшением сопротивления движению может обеспечить максимальную скорость.

Второе требование также радикально влияет на динамические качества, находящиеся в прямой зависимости от отношения массы к мощности. Чем меньше общая масса мотоцикла, значительная часть которой приходится на двигатель, тем выше при прочих равных условиях его скорость и лучше приемистость. Масса двигателя была предметом общего внимания, когда но техническим правилам гонок ограничивали массу мотоцикла. В этом случае всякая полученная экономия массы двигателя могла быть использована для увеличения его рабочего объема и, следовательно, давала выигрыш в мощности.

Надежность необходима во избежание вынужденных остановок, а тем более механических аварий во время гонки. Интервалы между первыми тремя мотоциклами на финише гонки часто составляют всего лишь несколько секунд и нередко измеряются даже долями секунды. Поэтому остановка, вызванная самой незначительной причиной, может лишить гоночный мотоцикл почти завоеванной победы.

Остальные требования, касающиеся долговечности, стоимости, экономичности, простоты ремонта и ухода, отходят на задний план. Они могут быть принесены в жертву, если это способствует развитию основных качеств. Впрочем, иногда и расход горючего должен приниматься в расчет: машина, способная пройти полную дистанцию с минимальным количеством остановок для принятия запасов горючего, показывает более высокую среднюю скорость.

Мощность двигателя определяется количеством тепловой энергии, переведенной в механическую работу, и, следовательно, общим расходом топлива в единицу времени. Но работа двигателя, как работа всякой машины, связана с рядом потерь. Поэтому мощность двигателя зависит также от эффективного КПД, характеризующего полноту перехода тепловой энергии в механическую работу. Следовательно, основная задача конструктора гоночного двигателя заключается в получении максимально возможного расхода топлива в единицу времени и в увеличении КПД. Как будет показано в дальнейшем, оба фактора используются для получения высокой мощности, хотя тот или другой фактор может превалировать в зависимости от принятой конструкции.

Влияние различных потерь на мощность двигателя характеризуется его КПД.

Эффективная мощность (кВт) двигателя может быть выражена следующими формулами: для четырехтактного

(1)

для двухтактного

(2)

где ηm — механический КПД, характеризующий потери на трение и насосные потери; ηt — термический КПД, характеризующий потерю вследствие неполного расширения продуктов сгорания в идеальном цикле (в нетеплопроводном цилиндре); ηg — относительный КПД, определяющий потери тепла через стенки камеры сгорания и цилиндра в действительном цикле; η0 — коэффициент наполнения, определяющий степень наполнения цилиндра горючей смесыо, т. е. отношение массы заряда, фактически поступившей в цилиндр, к массе горючей смеси в объеме цилиндра при давлении и температуре атмосферы; Vh — рабочий объем двигателя, л; Нg — теплота сгорания 1 м3 горючей смеси при нормальных давлении и температуре и при теоретически правильном составе смеси, необходимом для полного сгорания топлива, ккал/м3; n — частота вращения коленчатого вала, мин-1.

Сочетание большой мощности и малой массы двигателя может быть оценено показателем «литровая мощность» Nл, которая характеризует степень использования рабочего объема двигателя. Под термином форсирование обычно понимается повышение литровой мощности двигателя.

На основании формул (1) и (2) литровая мощность определяется:

для четырехтактных двигателей

(3)

для двухтактных двигателей

(4)

По формулам (3) и (4) можно вычислять максимальные значе-ния литровой мощности, если правильно оценить работу двигателей, выбрав соответствующие значения факторов правой части уравнения.

Определим по формулам (3) и (4) максимальную литровую мощность двигателей различных типов на основании оптимальных реализованных значений КПД н при высокой частоте вращения, свойственной гоночным конструкциям.

Четырехтактный двигатель без наддува

Выберем следующие численные значения: ηm = 0,7 — такой механический КПД был получен во время испытания очень быстроходного двигателя «Хонда» при частоте вращения около 18 000 мин-1; ηg = 0,7 — по Рикардо это значение относительного КПД характеризует тепловые потери гоночных моторов с камерами сгорания весьма выгодной шатровой формы (по отношению к потерям теоретического воздушного цикла); ηv = 1,3 — при соответствующем подборе размеров всасывающего тракта двигателя можно добиться значений превышающих 1, за счет использования колебаний потока горючей смеси, поступающей в цилиндр: в частности, при испытании гоночного мотора NSU (250 см3) было зафиксировано значение ηv = 1,3; ηt = 0,64 при степени сжатия &epsilon = 12; n — 20 000; эта частота вращения была практически осуществлена на некоторых гоночных двигателях с цилиндрами малого рабочего объема; Hg — 825 ккал/м3; так как теплота сгорания горючей смеси для всех видов жидкого топлива почти одинакова, средним значением можно считать это. Подставляем в формулу (3)

Полученный результат подтверждается испытаниями некоторых двигателей, имеющих литровую мощность, близкую к этой.

Четырехтактный двигатель с наддувом

Принимаем ηm = 0,5. Низкий механический КПД получается как вследствие быстрого возрастания потерь на трение с увеличением частоты вращения, так и вследствие поглощения части индикаторной мощности приводным нагнетателем. Форма камер сгорания двигателей с наддувом мало отличается от формы камер сгорания двигателей без наддува, поэтому оцениваем тепловые потери тем же значением коэффициента ηg = 0,7.

Коэффициент ηv = 5 можно получить при высоких давлениях наддува(*) на автомобильном двигателе BRM, 1,5 л — 500 кПа; ηt = 0,52 — при степени сжатия &epsilon = 6. Высокое давление наддува обязывает к снижению степени сжатия по сравнению со степенью сжатия у двигателей без наддува во избежание чрезмерного повышения температуры в конце хода сжатия и появления детонации; Hg = 825 ккал/м3; число оборотов n - 11 000 мин-1.

Подставляем эти значения в формулу (3)

Полученная цифра соответствует мощности лучших образцов двигателей гоночных автомобилей с наддувом.

Вследствие того, что в формулу (3) входят коэффициенты, основанные на результатах экспериментального исследования существующих двигателей, вычисленные максимальные литровые мощности характеризуют современный уровень развития гоночного моторостроения. Непрерывная работа над форсированием двигателей несомненно приведет к дальнейшему росту литровой мощности.

Сравнивая оба типа четырехтактных двигателей и возвращаясь к положению, согласно которому мощность зависит от общего расхода топлива в единицу времени и от КПД, нетрудно усмотреть между этими категориями двигателей существенное различие.

Двигатель без наддува работает с более высоким механическим КПД и высокой степенью сжатия; поэтому здесь обеспечены хорошее теплоиспользование (высокий ηt и малый расход топлива на 1 кВт/ч; мощность двигателя ограничена более низким коэффициентом наполнения.

Четырехтактный двигатель с наддувом работает с более низким механическим КПД и низкой степенью сжатия, обусловливающей посредственное теплоиспользование (низкий ηt); зато он имеет высокий коэффициент наполнения, чем определяется значительный общий расход топлива в единицу времени. Большой расход энергии топлива в данном случае обеспечивает высокую литровую мощность, несмотря на плохое теплоиспользование.

Развитие конструкций двигателей без наддува идет по пути увеличения КПД и быстроходности, что имеет общетехническое значение.

Рассматривая четырехтактные гоночные двигатели без наддува, Г. Р. Рикардо определил их значение в обширной семье различных двигателей внутреннего сгорания следующими словами: «Гоночный двигатель представляет собой не более и не менее как высококачественный двигатель внутреннего сгорания, который тщательно спроектирован на чисто научных основаниях и работа которого с точки зрения термодинамической должна считаться совершенно нормальной». Развитие конструкций гоночных двигателей с наддувом было всегда связано с повышением удельного расхода топлива; экономические вопросы эксплуатации при этом игнорировались(**).

О теплоиспользовании в обоих типах четырехтактных двигателей можно судить по эффективному КПД

где ge — удельный расход топлива, кг/(кВт/ч); Нm — низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг.

Например, гоночный двигатель BMW, 550 см3, без наддува показал, работая на бензине, минимальный удельный расход топлива около 270 г/(кВт•ч); это соответствует достаточно высокому значению эффективного КПД ηe = 31 %.

В противоположность этому удельный расход топлива у гоночных двигателей с наддувом, работающих на алкогольных смесях с низшей теплотой сгорания Нm = 4000 кал/кг, нередко составляет 950—1100 г/(кВт•ч), что соответствует ηe менее 23 %.

Следовательно, эффективный КПД четырехтактного двигателя с наддувом существенно ниже, чем у двигателя без наддува, вследствие более низкой степени сжатия и меньшего механического КПД.

Эти соображения приводили многих специалистов мотоциклетной промышленности к выводу о необходимости регламентации гонок по нормам расхода топлива. В истории мотоциклетных гонок, например Т. Т., известны периоды, когда всем участникам гонки выдавали ограниченное количество топлива.

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод, что двигатели с наддувом, имея бесспорные преимущества с чисто спортивной точки зрения (высокую Nл), не являются перспективным образцом для развития массового мотоциклостроения, так как обладают значительно худшими экономическими показателями.

Двухтактный двигатель без наддува

Воспользуемся следующими численными значениями коэффициентов формулы (4): ηm = 0,8 — такой механический КПД был зарегистрирован при испытаниях двух- и четырехцилиндровых двигателей «Ямаха», 125 см3, работавших при 15 000 и 17 700 мин-1; ηg = 0,7 — это значение относительного КПД можно принять, учитывая малую поверхность теплопередачи камеры сгорания двухтактного двигателя; ηv = 0,75 — значение, возможное при хорошем наполнении подпоршневого пространства за счет рационального использования колебаний давления во впускном тракте; ηt = 0,574 — при действительной с учетом высоты выхлопного окна степени сжатия ε — 8; n — 20 000 — такой режим работы удавалось реализовать на двигателях малого рабочего объема (50 см3). Значение Hg прежнее. Подставляем в формулу (4)

Литровые мощности такого порядка развивали на практике некоторые двухтактные двигатели класса 50 см3 («Судзуки», «Крейдлер»). Анализируя работу двухтактных двигателей, можно заметить, что их высокая мощность объясняется не высоким форсированием рабочего процесса, а удвоенным количеством рабочих тактов. Процесс газообмена в двухтактном двигателе связан с большими потерями топлива в выхлоп; эффективный КПД гоночного двухтактного двигателя не превышает 23 %.

Если тем не менее двухтактные двигатели получили широкое применение на гоночных мотоциклах, то это, как было упомянуто выше, объясняется причинами производственного характера и особенностями современной формальной классификации.

Формулы (3) и (4) представляют литровую мощность как произведение ряда параметров. В гоночном двигателе каждый из этих параметров должен быть увеличен до максимума соответствующими конструктивными мероприятиями. Перечислим главные средства, которыми оперирует конструктор для получения высокой литровой мощности.

  1. Термический КПД двигателя (работающего по идеальному воздушному циклу), принятого в качестве первого приближения к любому действительному двигателю, зависит только от степени сжатия (или, вернее, степени расширения, имеющей то же численное значение). При увеличении степени сжатия термический КПД возрастает. Следовательно, гоночные двигатели должны работать с высокой степенью сжатия. Повышение сто пени сжатия сопровождается сначала быстрым а затем прогрессивно замедляющимся увеличением термического КПД (табл. 15). Увеличение степени сжатия ограничено, как известно, возникновением детонационного сгорания.

Таблица 15.
Зависимость термическоrо кпд от степени сжатия

  1. Относительный КПД определяется тепловыми потерями в процессе горения. Они могут быть снижены рациональной формой камеры сгорания. Двухтактные двигатели имеют камеры сгорания компактной полусферической формы (рис. 29) с кольцевой или полукольцевой щелыо, образующейся по краям камеры, когда поршень приближается к в. м. т. Горючая смесь выбрасывается из этой щели к центру камеры, где расположена свеча, что увеличивает скорость и полноту сгорания топлива. На четырехтактных гоночных двигателях, как правило, применяются камеры сгорания полусферической или шатровой крышевидной формы с поверхностью, близкой к минимальной, при заданном объеме.

Рис. 29. Камеры сгорания двухтактных двигателей. Справа — полусферическая с кольцевой щелью; слева — в виде лотка с боковыми щелями; внизу — полусферическая с серповидной щелью

Для уменьшения теплопередачи от продуктов горения к поверхности камеры сжатия и днищу поршня последние подвергаются тщательной полировке. Увеличение степени сжатия при рациональной форме камеры сгорания уменьшает тепловой поток и способствует сокращению тепловых потерь. Повышение частоты вращения также уменьшает тепловые потерн, так как уменьшается продолжительность соприкосновения газов со стенками камеры сгорания. Поэтому при повышении частоты вращения относительный КПД несколько увеличивается.

  1. Коэффициент наполнения в первую очередь зависит от скорости движения смеси во впускном тракте. Потеря давления и связанное с ней ухудшение наполнения по законам гидродинамики пропорциональны квадрату скорости движения смеси. Для уменьшения скорости движения смеси гоночные двигатели имеют короткие всасывающие трубы большого сечения без крутых изгибов. Четырехтактные гоночные двигатели отличаются впускными клапанами большого диаметра(***) с увеличенным подъемом и фазами распределения, рассчитанными на продолжительное открытие клапана. У двухтактных двигателей используют впускные окна максимально возможных размеров и дисковые золотники на впуске, улучшающие условия наполнения картера. В настоящее время все гоночные двигатели независимо от числа цилиндров имеют самостоятельный карбюратор для каждого цилиндра, так как установка общего карбюратора хотя бы на два цилиндра приводит к заметному падению коэффициента наполнения.

Для улучшения наполнения число впускных клапанов четырехтактного двигателя иногда увеличивается до двух в каждом цилиндре(****). Однако это неизбежно связано с применением камеры сгорания менее компактной формы. Кроме того, надо иметь в виду, что при сдвоенных клапанах коэффициент истечения может оказаться ниже вследствие взаимного влияния двух потоков смеси и повышенного сопротивления потоку смеси, обусловленного формой контура камеры сгорания; несомненное преимущество сдвоенных клапанов состоит в уменьшении их массы, что снижает инерционные нагрузки и способствует форсированию двигателя по частоте вращения.

Если еще использовать два выпускных клапана для облегчения их температурного режима работы и уменьшения инерционных нагрузок распределительного механизма, то получим довольно распространенную теперь четырехклапанную конструкцию головки цилиндра рис. 30.

Рис. 30. Двигатель «Хонда» с четырехклапанной головкой цилиндра. Впускной и выпускной каналы раздваиваются вблизи от клапанов

При двух впускных клапанах некоторые заводы ставили на одноцилиндровый двигатель два карбюратора — по одному к каждому из впускных каналов; два карбюратора устанавливают и на одноцилиндровые двухтактные двигатели («Крейдлер»).

Для уменьшения трения потока смеси о стенки и ослабления вихреобразования, отрицательно действующего на наполнение, внутренние поверхности патрубков карбюратора, диффузора и всего впускного тракта полируются.

На коэффициенте наполнения сказывается тепловое состояние двигателя. Чем больше нагревается смесь при входе в цилиндр от соприкосновения с горячими деталями, тем меньше ее плотность; поэтому в гоночных двигателях применяются головки, цилиндры, поршни и впускные трубы, изготовленные из теплопроводных материалов (алюминиевые сплавы). Теплопроводность материала в сочетании с интенсивным охлаждением снижает среднюю температуру деталей, подверженных сильному нагреванию.

При увеличении частоты вращения коэффициент наполнения начинает падать вследствие увеличения скорости потока смеси. Если приняты все меры для уменьшения сопротивления потоку смеси, то значительное падение коэффициента наполнения наступает только при высоком числе оборотов.

Однако, как было указано выше, путем подбора длины и проходного сечения всасывающего тракта можно использовать колебания потока смеси в определенном диапазоне высоких частот вращения для улучшения наполнения цилиндра (или картера в двухтактных двигателях), что подтверждается экспериментальными данными; на рис. 31 представлено изменение коэффициента наполнения четырехтактного двигателя NSU в зависимости от частоты вращения. В диапазоне 6000—6700 мин-1 ηv превышает 100 %.

Рис. 31. Изменение коэффициента наполнения двигателя NSU класса 250 см3 в зависимости от частоты вращения

Лучшим средством для увеличения наполнения является переход к принудительному питанию двигателя смесью от нагнетателя. Однако, как было указано выше, применение нагнетателя приводит к увеличению механических потерь и уменьшению степени сжатия, от которой зависит теплоиспользование (см. гл. VII).

  1. Увеличение механического КПД осуществляется за счет снижения потерь на трение. В двигателях гоночных мотоциклов широко используются подшипники качения вместо подшипников скользящего трения. Даже верхние головки шатунов соединяются с поршневыми пальцами посредством игольчатых подшипников (двухтактные двигатели MZ и др). Трение скольжения сохраняется только в подшипниках масляной помпы и некоторых подшипниках, имеющих второстепенное значение.

В результате лабораторного испытания четырехтактного двигателя гоночного мотоцикла NSU было установлено следующее распределение механических потерь, %, при n = 10 000 мин-1;

В ЦКЭБ мотоциклетостроения (ныне ВНИИмотопром, г. Серпухов) механические потери четырехтактного двигателя С-354 расчленили, постепенно снимая трущиеся детали и сохраняя частоту вращения коленчатого вала равной 8250 мин-1; при этом суммарные механические потери, принятые за 100 %, уменьшились в результате последовательного снятия распределительного механизма до 89 %, головок цилиндров — до 83,5 %, поршневых колец — до 72,5%, одного шатуна — до 48,3%, обоих шатунов — до 20 % и маслонасоса — до 14,5 %.

Трение поршня и поршневых колец составляет около половины всех потерь на трение. Боковая нагрузка на поршень в значительной степени определяется силами инерции поступательно-движущихся частей. Для уменьшения инерционной нагрузки на всех типах гоночных двигателей целесообразно применять облегченную конструкцию поршней, поршневых колец и шатунов. Снижение массы поступательно-движущихся частей уменьшает силу трения поршня, благоприятно отражаясь на механическом КПД. Все трущиеся поверхности для уменьшения трения подвергаются тщательной механической обработке (суперфиниш, лаппинг, алмазная обработка) или взаимной притирке. Наружная поверхность шатунов и нерабочие поверхности коленчатого вала также подвергаются полировке не только для повышения механической надежности, но и для уменьшения вентиляционных потерь (затраты энергии на перемешивание воздуха и трение о воздух в картере).

Сила трения, возникающая при скольжении трущихся поверхностей, отделенных одна от другой слоем смазки (жидкостное трение), пропорциональна скорости скольжения В связи с этим наблюдается падение механического КПД при увеличении частоты вращения. Использование маловязких масел снижает потери па трение.

На рис. 32 показана зависимость механического КПД от частоты вращения, полученная при испытании двух очень быстроходных четырехтактных двигателей «Хонда». Механические потери двухцилиндрового двигателя (кривая 1), работающего с более низкими средними скоростями поршня, значительно меньше, чем у одноцилиндрового двигателя (кривая 2).

Рис. 32. Характеристики механического КПД быстроходных двигателей «Хонда»

Двухтактные двигатели обладают благоприятной характеристикой механического КПД. Тем не менее при высоких частотах вращения механические потери достигают значительной величины. На рис. 33 представлен график механических потерь двухцилиндрового (кривая 1) и четырехцилиндрового (кривая 2) двигателей «Ямаха» 125 см3. Здесь тоже видно, что переход на многоцилиндровую конструкцию позволил избежать чрезмерного возрастания механических потерь, если учесть возможное продление кривой 1 в область более высоких частот вращения.

Рис. 33. Механические потери двухтактных двигателей «Ямаха» класса 125 см3

  1. Подбор горючей смеси с повышенной теплотой сгорания в целях форсирования двигателя не может быть осуществлен, так как она почти одинакова для смесей всех видов жидкого то плива с воздухом. По крайней мере это относится к топливам, состоящим из смеси углеводородов. Для гоночных двигателей выбирается топливо, способное выдерживать работу с высокой степенью сжатия без детонации. Таким образом, подбор горючего косвенно влияет на форсирование двигателя. Необходимо, однако, иметь в виду, что для большинства гонок применяется один сорт топлива, обязательный для всех участников.

Некоторое повышение мощности может быть получено в случае применения топлива, молекулы которого могут освобождать кислород, необходимый для горения (нитрометан, нитробензол).

  1. Из предыдущего ясно, что повышение частоты вращения нельзя рассматривать как независимый фактор, позволяющий увеличивать литровую мощность. Частота вращения увеличивает мощность только в том случае, если при этом увеличивается произведение несмотря на уменьшение первых двух множителей (незначительным влиянием частоты вращения на относительный КПД пренебрегаем). Падение механического КПД и коэффициента наполнения при некотором режиме перестает компенсироваться увеличением частоты вращения, и мощность начинает падать. Все конструктивные мероприятия, которые увеличивают коэффициент наполнения и механический КПД, одновременно дают повышение частоты вращения, соответствующей максимальной мощности, так как произведение ηmηv увеличением частоты вращения уменьшается медленнее.

(*) В данном ориентировочном расчете коэффициент наполнения отнесен к атмосферным условиям. Обычно этот коэффициент относят к состоянию воздуха или смеси после нагнетателя, учитывая повышение их плотности в нагнетателе.

(**) Развитие мотоциклетных двигателей с наддувом после 1946 г. почти прекратилось в связи g бапрещением их использования в дорожных гонках.

(***) Средняя скорость движения смеси во впускных патрубках и клапанной щели у гоночных двигателей на превышает 50—70 м/с.

(****) Исследователи завода «Хонда» утверждают, что при двух впускных клапанах наполнение цилиндров выше, чем при одном клапане. По данным некоторых специалистов, проходное сечение двух клапанов в начальной стадии их открытия может быть на 50 % больше.

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru