На какой площади вы можете пойти?

Мне интересно, каковы ограничивающие факторы для соотношения между отверстием и ходом, и как чрезмерно квадратный двигатель может пойти в поисках более высоких оборотов и лошадиных сил (особенно для мотоциклов) ...

Я знаю, что частота вращения ограничена средней скоростью поршня примерно 25 м / с, а уменьшение хода позволяет увеличить скорость вращения, поскольку снижает скорость поршня. У многих спортивных мотоциклов соотношение b / s составляет всего от 1.6: 1 до 1.8: 1, а скорость поршня чуть меньше 25 м / с. Похоже, что клапанные пружины, вероятно, являются ограничивающим фактором для оборотов, и они просто устанавливают соотношение настолько высоким, насколько это необходимо, чтобы оставаться ниже 25 м / с, то есть ограничение по площади не будет достигнуто.

Предполагая, что система клапанов может справиться с этим (например, десмодром), что ограничит отношение диаметр отверстия / ход и насколько высоко оно может достичь? Самое высокое соотношение продукции, которое я смог найти, - это Ducati Desmosecidi RR при 2: 1 (86 x 43 мм). Мне также интересно, почему он сохранил те же 14 000 оборотов в минуту, что и другие литрабайки, несмотря на более низкий ход (около 17 500 об / мин при 25 м / с), демо-клапаны, кулачки с зубчатой ​​передачей и идеально сбалансированный 90-градусный V4.

(С точки зрения кинематики двигателя)

Увеличение отношения отверстия к ходу (B: S) имеет два потенциальных эффекта

1. Уменьшает зазор между поршнем и головкой

   Чтобы поддерживать одинаковое смещение поршня и степень сжатия (CR), зазор между поршнем в верхней мертвой точке (ВМТ) и головкой должен стать меньше. Это связано с тем, что большее отверстие предполагает меньший ход при одинаковом смещении.

   Я сократил некоторые числа для простого плоского поршня с размерами, подобными двигателю Desmosedici (0,25 л). При 13,5: 1 CR зазор между головкой цилиндров и поршнем составляет 3,19 мм, поэтому инженерам Ducatisti действительно не хватает места для игры.

   Я сократил еще несколько чисел для различных соотношений ствола к ходу.

   • На B: S 1.6 клиренс поднимается до 3,70 мм.
   • На B: S 2.5 клиренс падает до 2,75 мм.

   Это может не звучать как большая разница, но это то, что есть.

   Я не квалифицирован, чтобы комментировать, сколько такого рода разница в зазоре может сделать для инструментов и производственных затрат.

2. Для поддержания зазора между поршнем и головкой необходимо уменьшить CR

   Обратите внимание, что CR влияет на тепловую эффективность, а затем на крутящий момент и выходную мощность (я не буду ограничивать, например, детонацию / самовоспламенение в этом обсуждении).

   Сокращены некоторые цифры для B: S 2.5:

   Чтобы поддерживать зазор в 3,19 мм в ВМТ, CR должен упасть с 13,5 до 11,65.

   Это примерно 4-5% потери эффективности. При прочих равных условиях, если двигатель изначально развивает 170 л.с., вам придется обходиться примерно на 8 лошадей с увеличенным проходом.

Теперь можно бороться с ожидаемой потерей крутящего момента при более высоких оборотах, что приводит к вашему второму вопросу.

Может быть много причин, по которым инженеры решили ограничить счетчик оборотов до определенного значения, в том числе ограничения по материалу, требования к надежности и (возможно) роторно-динамические проблемы. Это не кинематика, сдерживающая ограничение оборотов, это что-то еще, что известно только Ducati.

Другим фактором является проблема «прочности материалов» в сочетании с увеличением веса поршня с большим диаметром.

Силы возвратно-поступательного движения в ВМТ огромны, и они представляют собой тип силы (растяжения), которая способствует усталости. Усилия сжатия в BDC намного меньше проблем с точки зрения напряжений шатуна / пальца / поршня.

Вес является огромным фактором, потому что, если я помню, этот вектор умножается на вектор числа оборотов в квадрате при расчете сил натяжения в области поршневого пальца во время возвратно-поступательного перемещения. В любом случае, вес поршня имеет решающее значение, но и прочность поршня.

Тем не менее, я клянусь, я помню мотоцикл Honda с овальным поршнем, который вращался со скоростью 20K + об / мин, и это было почти 3 десятилетия назад. Но я не помню, чтобы BxS был чрезмерно квадратным.

Другим фактором является геометрия камеры сгорания. @Zaid уже упоминал зазор между поршнем и головкой. Но по мере роста вашего отверстия увеличивается и площадь поверхности камеры сгорания, поэтому вы теряете больше тепла стенам, снижая эффективность.

Уменьшение хода также уменьшает крутящий момент, создаваемый двигателем (сила зажигания прикладывается к более короткому рычагу), делая двигатель менее управляемым при более низких оборотах.

При более высоких оборотах (около 12000 об / мин для большинства применений) время, необходимое для открытия и закрытия клапанов, слишком велико при использовании только натяжения пружины, для этого двигателям необходимо инженерное решение, поэтому это увеличивает сложность и стоимость двигатель. Это выполнимо, и это было сделано, но высокооборотный двигатель всегда будет более дорогим.