11.1. Преимущества и недостатки цилиндра с большим рабочим объемом

Цилиндр большего рабочего объема имеет меньшие относительные потери теплоты в стенки. Это хорошо подтверждается примерами стационарных дизелей с большими рабочими объемами цилиндров, которые имеют очень низкие удельные расходы топлива. В отношении легковых автомобилей это положение, однако, подтверждается не всегда.

Анализ уравнения мощности двигателя показывает, что наибольшая мощность двигателя может быть достигнута при небольшой величине хода поршня.

Средняя скорость поршня может быть вычислена как

где S - ход поршня, м; n - частота вращения, мин^-1.

При ограничении средней скорости поршня С_п частота вращения может быть тем выше, чем меньше ход поршня. Уравнение мощности четырехтактного двигателя имеет вид

где V_h -объем двигателя, дм³; n -частота вращения, мин^-1; р_е - среднее эффективное давление, МПа.

Следовательно, мощность двигателя прямо пропорциональна частоте его вращения и рабочему объему. Тем самым к двигателю одновременно предъявляются противоположные требования - большой рабочий объем цилиндра и короткий ход. Компромиссное решение состоит в применении большего числа цилиндров.

Наиболее предпочтительный рабочий объем одного цилиндра высокооборотного бензинового двигателя составляет 300-500 см³. Двигатель с малым числом таких цилиндров плохо уравновешен, а с большим - имеет значительные механические потери и обладает поэтому повышенными удельными расходами топлива. Восьмицилиндровый двигатель рабочим объемом 3000 см³ имеет меньший удельный расход топлива, чем двенадцатицилиндровый с таким же рабочим объемом.

Для достижения малого расхода топлива целесообразно применять двигатели с малым числом цилиндров. Однако одноцилиндровый двигатель с большим рабочим объемом не находит применения в автомобилях, поскольку его относительная масса велика, а уравновешивание возможно лишь при использовании специальных механизмов, что ведет к дополнительному увеличению его массы, размеров и стоимости. Кроме того, большая неравномерность крутящего момента одноцилиндрового двигателя неприемлема для трансмиссий автомобиля.

Наименьшее число цилиндров у современного автомобильного двигателя равно двум. Такие двигатели с успехом применяют в автомобилях особо малого класса ("Ситроен 2 СV", "Фиат 126"). Сточки зрения уравновешенности, следующим в ряду целесообразного применения стоит четырехцилиндровый двигатель, однако в настоящее время начинают применять и трехцилиндровые двигатели с небольшим рабочим объемом цилиндров, поскольку они позволяют получить малые расходы топлива. Кроме того, меньшее число цилиндров упрощает и удешевляет вспомогательное оборудование двигателя, так как сокращается число свечей зажигания, форсунок, плунжерных пар топливного насоса высокого давления. При поперечном расположении в автомобиле такой двигатель имеет меньшую длину и не ограничивает поворот управляемых колес.

Трехцилиндровый двигатель позволяет использовать унифицированные с четырехцилиндровым основные детали: гильзу цилиндра, поршневой комплект, шатунный комплект, клапанный механизм. Такое же решение возможно и для пятицилиндрового двигателя, что позволяет при необходимости увеличения мощностного ряда вверх от базового четырехцилиндрового двигателя избежать перехода на более длинный шестицилиндровый.

На преимущества применения дизелей с большим рабочим объемом цилиндра уже было указано. Помимо уменьшения потерь теплоты при сгорании это дает возможность получить более компактную камеру сгорания, в которой при умеренных степенях сжатия создаются более высокие температуры к моменту впрыска топлива. У цилиндра с большим рабочим объемом можно использовать форсунки с большим числом сопловых отверстий, обладающих меньшей чувствительностью к нагарообразованию.