Как определить эффективность кривошипно-шатунного механизма?

Эффективность кривошипно-шатунного механизма (КШМ) можно определить по следующим 7 основным показателям:

• Крутящий момент двигателя.
Влияет диаметр поршня поршневой группы и радиус кривошипа. Вот формула М=F*L, где M - крутящий момент [Нм]. F - сила, возникающая в результате сгорания топливовоздушной смеси и оказывающая давление на поршень [Н]. L - радиус кривошипа [м]. F - для повышения эффективности непосредственно из деталей КШМ можно увеличить увеличением диаметра поршня и усовершенствованием конструкций поршней поршневой группы для уменьшения объема камеры сгорания для увеличения степени сжатия (Но ещё можно и увеличить другими способами, помимо деталей КШМ, например, применением или улучшением турбонаддува, уменьшением размера камеры сгорания, чтобы увеличить степень сжатия, применением присадок в топливо). Радиус кривошипа (Или ход поршня, ход поршня - 2 радиуса или диаметр кривошипа, это непосредственно конструкция КШМ) можно увеличить увеличением длины щёчки коленчатого вала. Диаметр поршней поршневой группы двигателя и длину щечек коленчатого вала можно увеличить только до определенного предела, ограничивается габаритными размерами, экономичностью и предельно допустимой массой двигателя.

• Мощность двигателя.
Влияет крутящий момент и скорость вращения коленчатого вала двигателя. Вот формула: P = (M * n)/9549, где M – крутящий момент [Нм], n – скорость вращения коленчатого вала [об/мин], 9549 – коэффициент пропорциональности. Для увеличения можно повысить оба эти показателя. Как увеличить крутящий момент читайте выше. Увеличить скорость вращения коленчатого вала незначительно можно снизив массу и снизив силы трения элементов элементов КШМ (Значительно можно увеличить другими способами, помимо деталей КШМ, увеличить суммарные площади сечения клапанов, диаметры или их количество, улучшить каналы подачи топливовоздушной смеси, применить или улучшить турбонаддув). Скорость вращения коленчатого вала можно увеличить только до определенного предела, ограничивается долговечностью двигателя, т.к. со скоростью вращения коленчатого вала значительно увеличиваются силы трения деталей КШМ примерно в "квадратичной зависимости" изначально, далее в "экспоненциальной зависимости".

• Экономичность двигателя.
Существует много формул в зависимости от того, в каких единицах и на каких режимах мерить. Из деталей именно КШМ можно увеличить уменьшением диаметра поршня поршневой группы, снижением массы и уменьшением сил трения сопряжённых деталей КШМ путем применения новых технологий изготовления и материалов. (Можно также увеличить и другими способами, помимо деталей КШМ, но это уже отдельная научная работа).

• КПД (Коэффициент Полезного Действия) двигателя. Бывает индикаторный и механический. Суммарный складывается из них путем перемножения.
Индикаторный характеризует тепловые потери при сгорании топлива в процентном соотношении. Можно увеличить усовершенствованием конструкций поршней поршневой группы для уменьшения объема камеры сгорания для увеличения степени сжатия. Также увеличиваетя при увеличении скорости вращения коленчатого вала, можно увеличить из деталей КШМ снижением масс и уменьшением сил трения сопряжённых подвижных деталей КШМ путем применения новых технологий изготовления и конструкционных материалов, как было сказано выше.
Механический характеризует механические потери при работе двигателя в процентном соотношении. Значительно снижается при увеличении скорости вращения коленчатого вала. Можно увеличить усовершенствованием покрытия поверхностей контакта трущихся деталей КШМ. Примерно 50% из них приходится на силы трения между поршневыми кольцами и зеркалами цилиндров. Для их снижения на высокооборотных двигателях гоночных автомобилей даже иногда идут на использование всего одного поршневого кольца на цилиндр двигателя. На втором месте силы трения поршней о зеркала цилиндров. Для их снижения поршень имеет не цилиндрическую форму, как могло бы это показаться на первый взгляд, а в продольном сечении - коническую и в поперечном - овальную. Форма поршней постоянно совершенствуется. Также и силы трения между коренными и шатунными вкладышами и шейками коленчатого вала. Снижаются путем совершения качества трущихся поверхностей и качества моторного масла (Но опять же это уже отдельный вопрос по системе смазки).

• Масса двигателя.
Для снижения массы и увеличения данного показателя эффективности КШМ двигателя значительно можно снизить массу из деталей КШМ - коленчатого вала и маховика, также снижают на высокооборотных двигателях и массу поршневой и шатунной группы (Помимо деталей КШМ также стараются максимально снизить массу блока и головки блока цилиндров, хотя их и тоже можно отнести к КШМ, где-то относят, где-то нет). Снижение ограничивается уменьшением прочности и жесткости конструкции.

• Габаритные размеры двигателя.
Для снижения габаритных размеров стараются снизить радиус кривошипа, диаметр поршней и диаметр маховика (Помимо деталей КШМ снижают массу блока и головки блока цилиндров). Кстати, маховик некоторые научные сотрудники более относят к механизму сцепления, а не к КШМ. Ограничивается снижение габаритных размеров двигателя снижением мощности.

• Долговечность двигателя. Обратите особое внимание на этот показатель! Он потребуется при реальной эксплуатации автомобиля!!!
На этот показатель эффективности в большей степени влияет:
1. Качество обработки трущихся деталей КШМ для снижения сил трения - поршневых колец, поршней, коренных и шатунных вкладышей и шеек коленчатого вала, поршневых пальцев.
2. Качество балансировки вращающихся деталей - маховика и коленчатого вала двигателя.
3. Минимальный разброс масс движущихся деталей двигателя - поршневой и шатунной групп (Хотя шатун совершает сложное вращательно-поступательное движение, но это уже теоретическая механика).
Этот показатель увеличивается применением новых технологий для качественной обработки трущихся поверхностей и уменьшения погрешностей зазоров трущихся поверхностей, более точной балансировки вращающихся деталей и снижения разброса движущихся масс деталей.

Двигатель Внутреннего Сгорания был изобретен в 1860 году французским механиком Э. Ленуаром.
Первый в мире автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, который был изобретен в 1885 году.
За эти 135 - 160 лет была написана явно не одна тысяча докторских дессертаций по поводу этого вопроса об определении и повышении эффективности КШМ. Здесь по каждому из 7 пунктов требуется отдельная научная работа. Но основная информация была написана. Если же первые 6 пунктов подходят только для будущих лабораторных исследований, то последний пункт понадобится для жизни, для автолюбителей и автомехаников. Это понадобится для капитального ремонта двигателя. Давайте рассмотрим его поподробнее.

При капитальном ремонте двигателя, относительно КШМ, следует обратить внимание продвинутым автовладельцам и автомеханикам:
• Производится расточка блока цилиндров двигателя под определенный ремонтный размер и подбирается поршневая группа соответствующего ремонтного размера. Проверить качество проведенных работ можно, смазав поршень моторным маслом. Он должен плавно проваливаться в цилиндре. Не должен резко падать или застрявать.
• Следует взвесить и сравнить поршни по массе. При необходимости можно поточнее скорректировать массы путем незначительного высверливания нижних поверхностей бобышек поршней под поршневые пальцы (Там наиболее прочная часть поршня).
• Следует взвесить и сравнить шатуны по массе, хотя разброс их масс имеет меньшее значение. При необходимости можно поточнее скорректировать массы путем незначительного высверливания верхних поверхностей нижних частей стержня чуть ближе к центру от шатунного болта (Там наиболее прочная часть шатуна).
• Балансировку коленчатого вала при капитальном ремонте двигателя следует производить в сборе с маховиком и механизмом сцепления. Так будет всего одна незначительная погрешность при балансировке, а если балансировать по отдельности - погрешности будут складываться.

При тюнинге двигателя, относительно КШМ, следует обратить внимание продвинутым автовладельцам и автомеханикам:
• Производят расточку блока цилиндров и устанавливают поршневую группу с поршнями больших диаметров. Увеличивается крутящий момент и мощность двигателя засчет увеличения рабочего объема. Ограничивается толщиной стенок гильз цилиндров, "на много не расточишь".
• Устанавливают более модернизированную поршневую группу. Ниже по массе и высоте иногда и другой формы для уменьшения объема камеры сгорания и, соответственно, увеличения степени сжатия. Главное не забыть про поршневые кольца и поршневые пальцы.
• Шатунную группу меняют на более облегчённую.
• Снижают массу коленчатого вала при наличии такой возможности конструкции.
• Устанавливают облегчённый маховик или снижают массу маховика при наличии такой возможности.
Производить тюнинг двигателя можно и засчет других элементов, помимо КШМ.
В целом, если при тюнинге двигателя дело дошло до модернизации КШМ, то это уже очень глубокая доработка, можно задуматься и до замены двигателя на более мощный с большим рабочим объемом.

Напоминаю, по этой теме были написаны тысячи докторских дессертаций и идеального варианта так и нет и, скорее всего, никогда не будет. Производить расчеты и предоставлять информацию можно и до бесконечности, но основную полезную информацию я до Вас донёс!