Тюнинг Инструкция по тюнингу, часть 2: увеличение момента вдвое - не означает удвоения нагрузки на поршень и шатун

Инструкция по тюнингу, часть 2: увеличение момента вдвое - не означает удвоения нагрузки на поршень и шатун

937b462s-960
Инструкция по тюнингу, часть 2: увеличение момента вдвое - не означает удвоения нагрузки на поршень и шатун
Владимир Шарандин
Автор Владимир Шарандин / Автожурналист портала autotest.pro

Tuning переводится с английского как настройка, но если посмотреть на корень слова tune – мелодия или гармония. Мелодия – в основе 7 нот, а какая она бывает разная, от шедевров до подделок и фальшивого исполнения. В тюнинге мотора всего 3 ноты которые надо привести в гармонию – воздух, топливо и зажигание. Задача намного проще, но и здесь много вариантов - как добиться согласия.

Сегодня хотелось поговорить о поршневой. Надо ли вообще усиливать ее, в виде кованых поршней и т.д. Я много раз задавал вопрос людям, кто установил на свой мотор кованые поршни – зачем? И не разу не услышал вразумительный ответ. Я попытаюсь объяснить, что увеличивая момент в два раза, это не значит увеличении нагрузки на поршень и шатун в два раза. Прошу заметь я написал момент, а не мощность – это большая разница.

МОЩНОСТЬ = P*L*A*N
P — среднее давление газов на поршень
L — длина хода поршня т.е. как далеко будет двигаться поршень под действием газов
A — площадь сечения поршня, та самая площадь, к которой приложено давление
N = число цилиндров*частота вращения двигателя/2 (для 4 тактного двигателя)
Более подробно здесь

Для того чтобы понять, почему двигатель выдерживает огромные нагрузки при увеличении момента, необходимо рассмотреть статические нагрузки в двигателе во время работы. К двигателю в разные моменты времени прикладываются два вида статических нагрузок: инерционные и мощностные. Инерционные нагрузки могут быть растягивающими и сжимающими. Мощностная нагрузка бывает только сжимающая. Механизм воздействия этих нагрузок необходимо понять для ясного представления, почему турбонагнетатель не убивает кривошипно-шатунный механизм двигателя.

Инерционная нагрузка возникает из-за сопротивления предмета (поршень, шатун) движению. Так вот, самое большое ускорение, а соответственно и сопротивление этому ускорению - достигается в верхней и нижней мертвой точке, когда поршень фактически останавливается. Когда ускорение самое большое, нагрузки будут самыми большими. Когда поршень проходит через середину своего хода ускорение нулевое а скорость максимальная.

А вот что самое страшное – величина нагрузок, возникающих при движении поршня, пропорциональны частоте вращения двигателя, ВОЗВЕДЕННОЙ В КВАДРАТ. Например, если обороты повысить в три раза, инерционная нагрузка увеличится в девять раз. Поэтому я и говорил в начале не о мощности, а о моменте.

Идем дальше. Поршень который двигается к верхней мертвой, от середины своего хода а затем обратно к середине хода, прикладывает растягивающие нагрузку к узлу поршень шатун. Напротив, когда поршень двигается к нижней мертвой точке, а потом обратно к середине хода, инерционная нагрузка будет сжимающей. Инерционные нагрузки огромны, больше тоны. Растягивающая нагрузка наиболее разрушительна.

Например мы можем представить разорванный болт, но для повреждения его сжатием, нужны нагрузки другого порядка. Кроме того, растягивающие усилия вызывают усталостное разрушение, в то время как сжимающие нет. А вот тут начинается самое интересное, как я писал вначале - в двигателе кроме инерционных нагрузок, присутствуют мощностные, которые возникают от давления на поршень сгорающей смеси. Особая зависимость инерционных и мощностных нагрузок наиболее интересна в верхней половине рабочего такта. Здесь мы имеем следующую картину: две нагрузки действующие на шатун, нагружают его в различных направлениях. Помните, что инерционная нагрузка является растягивающей выше середины хода, в то время как мощностная нагрузка в любом случае является сжимающей.

Мощностная нагрузка достигает максимума при максимуме крутящего момента, и постепенно снижается при дальнейшем увеличении оборотов двигателя, но вообще всегда больше - чем инерционная нагрузка. Разность между этими двумя нагрузками, и есть реальная нагрузка на шатун. Итак, инерционные нагрузки частично компенсируются мощностной нагрузкой.
Из вышесказанного, очевидно, что в конце такта выпуска, когда шатун/поршень достигает верхней мертвой точки и НЕ ПОДВЕРГАЕТСЯ СОПРОТИВЛЕНИЮ СЖИМАЮЩИХ ГАЗОВ (потому что все клапана открыты), достигается самое большое растягивающее усилие и которое является самым опасным. Поэтому при анализе напряжения в шатуне и ШАТУННЫХ БОЛТАХ, нас в наибольшей степени интересуют инерционные нагрузки в верхней и нижней мертвых точках на тактах впуска и выпуска, когда не прикладываются мощностные нагрузки, которые УМЕНЬШАЮТ РАЗРУШАЮЩИЕ, РАСТЯГИВАЮЩИЕ, ИНЕРЦИОННЫЕ НАГРУЗКИ. Момент и буст нам помогают.
Я догадываюсь, как ополчатся на меня специалисты, тюнеры, у которых на первом месте вытянуть с клиента сразу, как можно больше денег, в виде замены поршневой на кованые поршня, шатуны или вообще коленвала, вдалбливая клиенту мысль, что удвоение МОЩНОСТИ приведет к огромному увеличению нагрузки на двигатель. Да нифига подобного – ЭТО БРЕД! Или нагрузка на вкладыши, об этом поговорим попозже, сначала азбука.
Еще раз должен уточнить, что я говорю о удвоении момента, а это удвоение мощности при тех же оборотах, таким образом не происходит увеличение инерционной нагрузки. Но конечно, мысль об удвоении момента двигателя приводит к другой мысли – об удвоении мощностной нагрузки (хотя она не так страшна, как инерционная). К счастью это не так. При удвоении количества смеси в камере сгорания, пиковое значение возрастает только приблизительно на 20%, по двум причинам.
Во-первых, мощность – функция среднего давления по всему рабочему ходу поршня, а не только пикового давления. Среднее давление может быть значительно увеличено за счет более высокого давления в середине или в конце хода, в то время как максимум давления существенно не возрастает.
Во-вторых, максимальное давление вообще достигается после сгорания 18-20% смеси. Если количество смеси удвоено, те же 18-20% этого количества сгорят при достижении максимального давления. Так как полное давление в камере сгорания состоит, ВНИМАТЕЛЬНО – ИЗ ДАВЛЕНИЯ СЖАТИЯ И ДАВЛЕНИЯ СГОРЕВШИХ ГАЗОВ, НЕВОЗМОЖНО УДВОИТЬ ПОЛНОЕ ДАВЛЕНИЕ, УДВАИВАЯ ТОЛЬКО ОДНУ ИЗ ЕГО СОСТОВНЫХ ЧАСТЕЙ. (Не иначе, законы физики опять благосклонны к шатунам). Теперь очевидно, что при использовании турбонагнетателя мы можем удваивать мощность не удваивая нагрузку на поршень и шатун.
Итак: увеличение давления в камере сгорания при использовании турбонаддува и увеличившаяся при этом мощностная нагрузка будет иметь довольно умеренное влияние на конструкцию двигателя.

Первую часть можно найти здесь

Следующий пост будет о кованых поршнях и слабых местах в механизме шатун/поршень.

Barik-CZ


Оставьте ваш комментарий и на него ответит лично автор статьи!
На нашем сайте размещены только авторские материалы от профессиональных журналистов и известных блоггеров, они с удовольствием вступают в диалог с нашими читателями :)

Об авторе

Владимир Шарандин

Владимир Шарандин

Основатель знаменитой тюнинговой компании Торгмаш, инженер, автогонщик, неоднократный победитель и призёр соревнований по автокроссу, кольцевым гонкам, чемпион России, мастер спорта, пишет диссертацию в University of Texas at Austin, о своих увлечениях: Focus on a new way of thinking about how the modern racing engine works