Увеличение момента, и как следствие экономичности и мощности, серийных двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском

А на каком угле плечо шатуна будет иметь максимальное значение, т.е. будет равно радиусу вращения? Для этого обратимся к рисунку 1.

На рисунке 1.а поршень находится в ВМТ и плечо шатуна соответственно равно 0. Очевидно, что максимальное плечо будет в тот момент, когда шатун будет располагаться по касательной к окружности его вращения (рис.1.б.). Т.к. в стандартном двигателе отношение длинны шатуна к диаметру вращения КВ принято в среднем 1,72-1,78 (в зависимости от марки мотора), следовательно, угол, при котором шатун расположиться по касательной к КВ будет в среднем 74 градуса.

Но здесь нас ждет неприятный сюрприз. Что бы повысить степень сжатия, нам необходимо уменьшить объем камеры сгорания. Даже если мы полностью заберем весть объем камеры сгорания, что практически не возможно, то и в этом случаи при повороте КВ на угол в 74 градуса объем в цилиндрах вырастет в несколько раз больше, чем изначальна была камера сгорания. Пропуская череду вычислений, сразу скажу, что теоретически пик давления можно сдвинуть к 35-40 градусам. А это не так мало. Дело в том, что на данном угле поворота КВ, плечо шатуна будет более 80% от максимума (рис.1.в).

Мы также можем выиграть еще несколько градусов, применив топливо с малым октановым числом. Если бензин А-95 работает при степени сжатия 10-11, то А-80 только 7,5-8,5. При этом, мы вырываемся из замкнутого круга экономии. Применяя более дешевое топливо с малым октановым числом, мы сдвигаем пик давления на больший угол, увеличиваем моментные характеристики двигателя, а значит и общую мощность при примерно том же расходе топлива.

Что бы было более понятно, какие процессы происходят в данном двигателе, взглянем на рисунок 2.

На рис. 2.а диаграмма распределения давления типового ДВС, а на рис. 2.б. диаграмма давления моего ДВС. Обе диаграммы очень близки, но имеют принципиальные отличия. В моем двигатели, на такте сжатия, давление сжатого воздуха может достигать такого максимального значения (в ВМТ), на которое рассчитана конструкция данного двигателя. При этом степень сжатия, для разных двигателей, может достигать значения 26-40. Далее, при повороте КВ от ВМТ до 35-40 градусов, давление спадает до значения, соответствующего нормальной для данного двигателя степени сжатия. Назовет этот процесс областью обратного расширения (синяя полоса на графике). В точке близкой к 40 градусам производится впрыск топлива и его поджег. При сгорании топливной смеси, давление в цилиндрах снова поднимается до своего максимального рабочего давления. Далее цикл рабочего хода проходит по обычному сценарию. Как видно из диаграммы, при повороте КВ от ВМТ до угла 35-40 градусов, никакой полезной работы не совершается. Вся работа на области обратного расширения идет на компенсацию работы затраченной по сжатию воздуха от углов -35-40 градусов до ВМТ. Причем компенсация эта не полная, а с потерями, т.к. в реальном двигателе, всегда будут проходить утечки воздушной массы через поршневые кольца и отдача теплоты сжатого воздуха стенкам цилиндра. Также не маловажным фактом является то, что максимальное давление в реальном двигателе достигается в районе 16 градусов поворота КВ и не когда не бывает максимальным расчетным. Происходит это из-за того, что топливо сгорает не мгновенно, а за некоторое время поворота КВ. К примеру: двигатель ВАЗ со степенью сжатия 10. Если бы все топливо сгорало в ВМТ, то давление в цилиндре достигало бы 96 атм. В реальности максимум давления достигается в 16-18 градусах поворота КВ, когда сгорает примерно 30% топливной смеси и максимум давления составляет не более 56 атм., т.е. в точке, где степень сжатия уже значительно меньше 10. Но расчет двигателя на прочность всегда ведется именно на максимальное возможное давление в ВМТ.