Влияет ли размер цилиндра двигателя на его эффективность?

Насколько мне известно, нет никакого способа повлиять на объем двигателя во время его работы (динамически). Однако вы можете динамически изменять два рабочих параметра двигателя, а именно объемный КПД и степень сжатия.

Объёмный КПД (VE) показывает, насколько хорошо цилиндры заполняются топливно-воздушной смесью во время впуска, и выражается в процентах. Двигатель без наддува в серийных легковых автомобилях работает в диапазоне 70–80 % VE. Двигатель NASCAR может работать в диапазоне ~105–108 %. Объёмный КПД определяет конечную выходную мощность, но мало влияет на то, насколько хорошо двигатель преобразует топливно-воздушную смесь в энергию. Когда мы говорим об улучшении VE, мы имеем в виду повышение эффективности, но это больше связано с тем, что вы можете лучше пропускать воздух через двигатель (впускной/выпускной коллектор), что позволяет высвободить мощность в процессе, но не улучшает процесс сгорания.

Мощность двигателя может быть изменена в основном с помощью наддува / турбонаддува. Изменяя давление наддува на впуске, вы напрямую влияете на мощность двигателя. Считается, что нормальное давление воздуха (1 бар) на уровне моря составляет ~ 14 фунтов на квадратный дюйм (или 101,325 кПа). Если бы во время цикла сгорания двигателя давление воздуха внутри цилиндра равнялось давлению воздуха снаружи двигателя, вы бы получили то, что считается 100% VE. Если вы увеличите давление на впуске до 14 фунтов на кв. дюйм (на 14 фунтов на кв. дюйм выше давления окружающего воздуха), то фактически удвоите количество воздуха, поступающего в цилиндр. Теоретически в этот момент мощность двигателя должна увеличиться вдвое. (ПРИМЕЧАНИЕ: на практике это не всегда так, обычно из-за неэффективности двигателя, которая приводит к паразитным потерям... для целей данного ответа я исключу этот фактор, чтобы упростить объяснение.) Изменяя давление на впуске, вы фактически меняете количество воздуха/топлива, которое может быть подано в двигатель, и тем самым увеличиваете потенциальную выходную мощность. Это можно рассматривать как фактически изменение размера цилиндра за счёт того, что двигатель считает, что он больше, чем есть на самом деле. Влияет ли это на эффективность двигателя? В незначительной степени. Вы повышаете эффективность за счёт использования турбокомпрессора (который использует часть тепла выхлопных газов, которое в противном случае было бы потеряно). Вы также повышаете эффективность за счёт того, что вам приходится перемещать меньшую массу внутри двигателя (меньшие/меньшие по количеству поршни, шатуны, коленчатый вал и т. д.), чем если бы вы удвоили рабочий объём.

Размер цилиндра оказывает меньшее влияние на эффективность двигателя, чем степень сжатия. Полагаю, именно об этом вы и спрашиваете:

«Если бы у вас была переменная степень сжатия, повлияло бы это на эффективность двигателя?»

Это связано с вашим утверждением о «изменении рабочей площади поршня». Как я уже говорил, не существует эффективного способа изменить физический объём (фактически изменить размер) двигателя во время его работы. Однако есть несколько способов изменить степень сжатия во время работы двигателя. Степень сжатия действительно влияет на выходную мощность. Как правило, увеличение степени сжатия на 1 единицу приводит к увеличению мощности примерно на 3 % при прочих равных условиях. Однако существует предел, после которого степень сжатия становится слишком высокой и детонация (или преждевременное зажигание) становится неконтролируемой.

Приведённое выше утверждение подтверждается этой статьёй, написанной для Академии инженеров-механиков и аэрокосмических инженеров (AMAE). В ней говорится:

Степень сжатия — ключевой параметр в двигателях внутреннего сгорания. Концепция переменной степени сжатия обещает повышение производительности двигателя, его эффективности и снижение выбросов. Более высокое давление и температура в цилиндре на ранних этапах сгорания и малая доля остаточных газов благодаря более высокой степени сжатия обеспечивают более высокую скорость ламинарного пламени. Следовательно, период задержки воспламенения сокращается. Таким образом, при низких нагрузках чем выше степень сжатия, тем короче время сгорания. Соответственно, снижаются потери времени. Поэтому логично предположить, что при высокой степени сжатия на частичных нагрузках расход топлива снижается. Главная особенность двигателя VCR заключается в том, что он может работать с разной степенью сжатия в зависимости от потребностей автомобиля.

С этой целью был разработан двигатель Peugeot под названием MCE-5. В Википедии он описан так:

Конструкция Peugeot позволяет изменять эффективную длину шатунов, соединяющих поршень с кривошипом. Чем короче шатун, тем ниже степень сжатия, и наоборот. Слева на схеме изображён обычный поршень двигателя внутреннего сгорания. Справа — гидравлический цилиндр с поршнем двойного действия. Он работает через систему шатунов и кривошипа с зубчатым колесом, которое регулирует эффективную длину шатуна и, следовательно, степень сжатия в левом цилиндре.

С технической точки зрения эта конструкция кажется кошмаром. Вот простой набросок того, как она выглядит:

Как я уже сказал, всё сложно. Я прочитал онлайн-презентацию (используйте этот поиск в Google ... должна быть первая запись — презентация в формате PPT), в которой некоторые рабочие параметры описываются следующим образом:

• Коэффициент пересчёта регулируется от 7:1 до 20:1.


• Быстрый отклик (менее 100 мс для перехода от максимального к минимальному значению CR).


• Датчики с электронным управлением позволяют двигателю быстро адаптироваться к идеальным условиям работы.


• Управляющие домкраты работают как гидравлические храповики, перемещая поршень в верхнюю мёртвую точку (меняя объём сжатия и, следовательно, степень сжатия).

Я рассказываю об этом, чтобы показать, что существуют жизнеспособные двигатели, конструкция которых позволяет изменять степень сжатия (это не просто несбыточная мечта). Однако я считаю, что компания Peugeot отказалась от этой идеи из-за затрат.

Одним из главных преимуществ двигателя MCE-5, вероятно, является его долговечность. На поршень и кольца приходится гораздо меньшая нагрузка, чем в обычном стационарном двигателе CR. Как видно на этих изображениях из той же презентации, отсутствует боковая нагрузка, что значительно снижает напряжение, а также высвобождает часть мощности, которая считалась бы паразитной потерей:

Это происходит потому, что поршень движется прямо вверх и вниз в отверстии цилиндра. Это также означало бы, что цилиндр никогда не выйдет из круглой (овальной) формы из-за боковой нагрузки.

На этих двух диаграммах показаны фактические различия между двумя типами двигателей и уровень нагрузки, возникающей из-за боковой нагрузки.

Я привожу это в качестве примера, чтобы показать, что в конструкции этого конкретного двигателя VCR есть и другие преимущества. Возможно, вы не создаёте новую мощность за счёт механической конструкции, но вы освобождаете мощность в процессе, что равносильно повышению эффективности.

Да, в случае с бензиновыми двигателями оптимальный объём цилиндра составляет от 500 до 550 кубических сантиметров. Вы можете проверить эту теорию, разделив общий объём двигателя на количество цилиндров любого спортивного автомобиля, например

1. Golf GTI — 2-литровый 4-цилиндровый двигатель = 500 куб. см


2. BMW M3 — 3-литровый 6-цилиндровый двигатель — 500 куб. см


3. Audi S6 Quattro — 4-литровый 8-цилиндровый двигатель — 500 куб. см


4. Lamborghini Gallardo — 5-литровый 10-цилиндровый двигатель объёмом 500 куб. см


5. Aton martin V12 vanquish — 6-литровый 12-цилиндровый двигатель объёмом 500 куб. см


6. Bugatti Veyron — 8-литровый 16-цилиндровый двигатель объёмом 500 куб. см

Если объём вашего цилиндра меньше 500 куб. см, вы не получите такой же крутящий момент, но двигатель будет работать быстрее, а значит, вы сможете увеличить число оборотов. Если объём вашего цилиндра больше 500 куб. см, вы не сможете увеличить число оборотов, но крутящий момент будет выше.

Так что, если вам нужен очень быстрый и лёгкий автомобиль, вам подойдёт двигатель с меньшим объёмом на цилиндр, например, новые автомобили F1 с турбодвигателем V6 объёмом 1,6 литра (265 куб. см на цилиндр). Но если вам нужен мощный и тяжёлый автомобиль, вам понадобится двигатель с большим объёмом на цилиндр, например, Dodge Viper с 8-литровым двигателем V10 (800 куб. см на цилиндр).

Если вас интересует динамическая степень сжатия, почитайте о регулировке фаз газораспределения.

Когда речь идёт об эффективном сгорании топлива, на него не влияют ни объём цилиндра, ни площадь его поверхности. Эффективность сгорания топлива зависит от соотношения воздух/топливо, угла опережения зажигания, фаз газораспределения и нагрузки на двигатель. Все эти параметры контролируются электронной системой управления или (в старых двигателях) карбюратором и механическими фазами газораспределения. Оптимальное соотношение воздуха и топлива всегда составляет 14,7 (для бензина), независимо от того, идёт ли речь о двигателе игрушечной машинки объёмом 5 кубических сантиметров или о двигателе грузовика объёмом 12 000 кубических сантиметров.

Вещи, которые могут изменить оптимальное значение с 14,7 на другое

1. Качество топлива или октановое число.


2. температура всасываемого воздуха.


3. степень сжатия в цилиндре (от 8,0:1 в турбированных двигателях до 12:1 в высокопроизводительных атмосферных двигателях).


4. степень нагрузки на двигатель.

Дело в том, что при более интенсивной работе двигателя требуется впрыскивать больше топлива, чем может сгореть, чтобы охладить топливно-воздушную смесь и предотвратить её преждевременное воспламенение (так называемый стук). Но это не связано с размером цилиндра, а зависит от того, насколько сильно и быстро он сжимает топливно-воздушную смесь перед её воспламенением.

Большая площадь поверхности поршня обычно означает больший объём. При большем объёме цилиндра вы получите больший крутящий момент, который может пригодиться при ускорении. Если впоследствии вы сможете уменьшить диаметр поршня/цилиндра, то повысите эффективность работы, так как для крейсерской скорости потребуется меньше мощности.