Поршень ДВС

Влияние диаметра цилиндра и хода поршня на характер двигателя

Сперва немного лирики: 

======

Производители не могут повышать мощность двигателей путем простого увеличения объема сразу по нескольким причинам:

-Требования к общему объему двигателя

-Законы, ограничивающие доступ к определенным объемам в зависимости от возраста и опыта вождения у водителей

-Стоимость страхования аппаратов с двигателями большего объема

-И еще черт знает какие

Кроме того, производители вынуждены убеждать потребителя, что их двигатель заданного объема лучший, а самый надежный способ добиться этого - превзойти конкурентов по скорости, динамике и внешнему виду. Есть несколько факторов, которые влияют на то, какова будет полученная от двигателя мощность, в первую очередь к этим факторам относят диаметр цилиндра и ход поршня.

======

Для простоты и условной точки отсчета мы воспользуемся конструкцией двигателя, в которой диаметр цилиндра равен ходу поршня. Назовем такую конструкцию "квадратной". Если увеличить ход и уменьшить диаметр до получения заданного объема двигателя, то полученная схема будет носить название "длинноходной", в то время как в другом предельном варианте может использоваться большой диаметр в комбинации с небольшим ходом для получения так называемой "короткоходной" схемы двигателя.

Длинноходная конструкция

Длинноходный двигатель отличается пологой характеристикой крутящего момента в широком диапазоне частот вращения двигателя. Крутящий момент является следствием достаточно большого плеча рычага, на котором прилагается усилие от длинного шатуна, и именно это позволяет длинноходному двигателю развивать высокое тяговое усилие при низких частотах вращения Если нарисовать кривую крутящего момента, то можно было бы отметить его незначительное увеличение по мере роста частоты вращения двигателя с достижением максимума, после которого момент начинает понижаться. Учитывая то, что двигатель наиболее эффективно работает при максимальном крутящем моменте, становится очевидным, что желательно иметь максимально пологую характеристику крутящего момента. В этом отношении длинноходный двигатель превосходит другие. Где длинноходный двигатель проигрывает, так это в общем запасе мощности, измеряющемся в эффективной мощности. Она очень мала при низких частотах вращения двигателя, резко возрастает по кривой и снижается только при очень высоких скоростях. Для получения максимальных мощностных показателей необходим двигатель, работающий с максимально возможной частотой вращения, и в этом случае длинный ход менее удобен: высокая скорость поршня налагает ограничение, при превышении которого происходит или повреждение, или ускоренный износ двигателя, а это, в свою очередь, ограничивает запас располагаемой мощности

Короткоходная конструкция

Короткоходный двигатель может работать при более высоких скоростях, чем длинноходный того же объема, и, следовательно, за определенный промежуток времени происходит большее количество рабочих ходов (повышается мощность). Недостаток заключается в том, что меньший ход означает уменьшение плеча рычага коленчатого вала, а это, в свою очередь, приводит к менее пологой характеристике крутящего момента. Таким образом, короткоходные двигатели более мощные, но в узком диапазоне частот вращения двигателя. 

Компромисс

Как вы,  догадывались, наилучший вариант - в компромисс между двумя этими крайностями, а именно - "квадратный" двигатель, описанный ранее. На практике многие современные мотоциклетные двигатели близки к "квадратной" схеме с небольшими отклонениями, обусловленными конкретными требованиями к их использованию. Хотя с популярностью спортбайков число короткоходных двигателей возросло, для того чтобы обеспечить потребителей тем уровнем мощности, который им хочется иметь на бумаге

Вот график зависимости мощности двигателей разных схем в зависимости от количества оборотов:

Красная кривая – характеристика «короткоходного» двигателя: высокая мощность в узком диапазоне высоких оборотах
Зеленая кривая – характеристика «длинноходного» двигателя: мощность и крутящий момент достигает при не высоких оборотах, внушительная эластичность двигателя
Черная кривая – «золотая середина» «квадратного» двигателя.

Двигатель швейцарского парохода 117-летней давности

GM Bison Concept, 1964

Паровой двигатель Тауэра

Вместо привычного нам цилиндра в этой паровой машине была сфера. Полая сфера, внутри которой все и происходило.

В сфере вращался и колебался диск, на каждой из сторон которого "перекидывались" туда-сюда четвертинки шара. Как видите, на словах это объяснить невозможно, поэтому гифка:

ссылка на гифку

Красные стрелки — подача свежего пара, синие — выпуск отработанного.

Валы размещались под углом 135 градусов друг к другу. Пар через отверстие в четвертинке поступал под прижатую к диску плоскость, расширялся (производя полезную работу) и после поворота четвертинки выходил через то же отверстие. Четверти, таким образом, выполняли функции клапанов подачи/удаления пара. Болтающийся диск делал то, что в обычной паровой машине делает поршень. А кривошипно-шатунного механизма не было вовсе, потому не надо было преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное.
Главный узел:

Пока по одну сторону четвертинки происходил рабочий ход (расширение пара), по другую ее сторону производился холостой ход (выпуск отработанного пара). По ту сторону диска происходило то же самое со сдвигом по фазе на 90 градусов. Из-за взаимного положения четвертинок диску придавалось вращение и колебания.

По сути, это была карданная передача с внутренним источником энергии. Зеленый диск-крестовина карданной передачи совершает такие же вращательно-колебательные движения:

ссылка на гифку

Вращение передавалось на два вала, выходящие из мотора. Снимать энергию можно было с обоих, но на практике, судя по рисункам, для привода использовали один.

Как отмечал французский журнал "La Nature" 1884-го года, сферический двигатель допускал повышенные по сравнению с поршневыми собратьями скорости вращения и, следовательно, хорошо подходил в качестве привода электрогенератора.
Двигатель обладал низкими уровнями шума и вибрации и был очень компактен. Мотор с внутренним диаметром шара 10 см и частотой вращения 500 об/мин при давлении пара 3 атм выдавал 1 лошадиную силу, при 8,5 атм — 2,5 л.с. Самая же большая модель диаметром 63 см обладала мощностью в 624 "лошадки".

Но. Сферический мотор был сложен в изготовлении, требовал больших расходов пара. Он выпускался и некоторое время реально эксплуатировался в качестве привода генераторов в британском флоте и на железных дорогах Great Eastern Railway (устанавливался на паровой котел и служил для электроосвещения вагонов). Однако из-за указанных недостатков не прижился.

Постреляем?

Космическая гонка объявляется оконченной: В Белгороде показали уникальный аппарат для колонизации Марса

На выставке «Парад профессий» в Белгороде представлен уникальный аппарат, созданный местным аграрным университетом. Посетители парка им. Ленина, в котором проходила выставка, могли увидеть устройство, внешне похожее на космический аппарат. Создатели сообщили, что он способен брать пробы грунта. Белгородцы обратили внимание, что механизм также отмечен буквами Z и V.

«Программа колонизации Марса Белгородского аграрного университета им. Горина», — гласила табличка возле уникального устройства.

Также на выставке представители Белгородского правоохранительного колледжа рассказали школьникам, как собрать автомат. По сообщениям местных СМИ, всего «Парад профессий» собрал больше 3 тыс. школьников