Конструктивный тюнинг автомобилей и мотоциклов

ТЕМА 3

Конструктивный тюнинг автомототехники подразделяется на технический, спортивный и спортивно-развлекательный и по определению не может обойтись без значительного вмешательства в существующую конструкцию. Самыми активными заказчиками такой услуги по повышению потребительских свойств автомобиля или мотоцикла являются люди, ведущие активный образ жизни, желающие индивидуально выразить себя. С другой стороны, имеются желающие по тюнингованию кузова автомобиля с целью предотвращения угона транспортного средства.

4.1. Технический тюнинг

Выполнение технического тюнинга автомототехники предполагает внесение изменений в конструкции агрегатов и узлов для достижения поставленной цели. Еще раз отмечаем, что все изменения не должны нарушать принятые нормативы. Тюнингованию подвергается двигатель внутреннего сгорания с обеспечивающими системами, трансмиссия, ходовая часть, тормозная система, колеса, кузов и силовой каркас и салон.

4.1.1. Тюнинг двигателей внутреннего сгорания

Двигатель (силовая установка) – это основной агрегат автомобиля. При патентовании самобеглого экипажа именно он стал главенствующим элементом заявки. Но паромобили на тот момент уже получили большое распространение. И все-таки именно двигатель внутреннего сгорания (ДВС) пробил себе дорогу. По принципу действия и в зависимости от характера протекания рабочего процесса, ДВС можно разделить на двухтактные (рис.4.1) и четырехтактные (рис.4.2). Четырехтактные двигатели занимают главенствующее положение. Это практически все виды деятельности и неотъемлимая часть всех категорий автомобильной техники. Сфера применения двухтактных двигателей ограничивается мотоциклами легких классов и вспомогательными механизмами (бензопилы, кусторезы, газонокосилки и т.д.). Соответственно и методика их модернизации отличается коренным образом. Если при двухтактной схеме сжатие и рабочий ход, впуск и выпуск объединены, то четырехтактная схема разделяет каждый цикл. В остальном, конструктивно, они имеют одинаковые составные группы узлов и механизмов.

В основной массе автомобильные двигатели потребляют бензин или дизельное топливо. В связи с истощением природных запасов углеводородов распространение получили системы, работающие на природном газе или комбинированные, использующие бензин+газ. Конечно, по эффективности действия природный газ не может сравниться ни с бензином, ни с «соляркой». Но экономичность и уменьшенное вредное влияние на экологию сулят ему неплохие перспективы.

К разряду ДВС относится роторно-поршневые двигатели Ваккеля (рис. 4.3). Еще несколько лет назад их серийно производил Волжский автозавод. Теперь монополия принадлежит только Mazda. У ротора существует неоспоримое достоинство перед традиционными конструкциями, это – отсутствие кривошипно-шатунного механизма и коленчатого вала. «Оборотистость» при этом достигает восемнадцати тысяч циклов в минуту. Правда трудоемкость изготовления и дороговизна перевешивают все преимущества. Оба фактора видимо и послужили причиной закрытия цеха по производству роторно-поршневых двигателей на ВАЗе.

Мотористы всех стран вновь обратили пристальное внимание к дизельным двигателям. Их привлекает способность дизеля потреблять низкооктановое недорогое топливо. Степень сжатия бензинового двигателя постоянно растет и приближается к дизельным значениям. Условия работы обоих конструкций сблизились. Но у первого отсутствует система зажигания, а значит, упрощается производство, увеличивается надежность и намного лучше обстоит дело с вредными выбросами.

Помимо этого существует еще несколько экзотичных конструкций двигателей. Но они пока не получили широкого распространения и не входят в круг наших интересов.

Нас же интересуют методы совершенствования традиционных систем. И один из факторов, оказывающих большое влияние на возможность модернизации двигателя – схема расположения цилиндров и их число. От архитектуры блока цилиндров изначально зависит сбалансированность работы многих систем. Наилучшую балансировку имеет двигатель с оппозитным расположением цилиндров. Достаточно сбалансирован рядный четырехцилиндровый двигатель. V-образный двигатель имеет наилучшую балансировку при значении угла между цилиндрами 60° и 120°. Для уменьшения вибрации в рядных двигателях применяются балансирные валы, расположенные под коленчатым валом в масляном поддоне.

Имеется несколько основных типов компоновочных схем двигателей:

- рядная – несколько цилиндров в ряд на одном валу;

- V-образная – два ряда цилиндров на одном валу;

- оппозитная (бокстер) – противоположное расположение рядов;

- звездообразная – три и более рядов относительно вала.

Бывает, что различные схемы комбинируются:

- VR – оси цилиндров расположены под малым углом;

- W-образная – две VR схемы, расположены V-образно, на одном коленчатом валу, со смещением.

Эффективность ДВС зависит от расположения и размещения двигателя на шасси автомобиля. Его можно установить, как вдоль, так и поперек, а иногда даже не один. В любом случае при модернизации автомобиля компоновку силового агрегата необходимо учитывать, чтобы прогнозировать характеристики тюнингуемого транспортного средства.

В России сегодня четырехтактными двигателями оснащаются только мотоциклы Ирбитского завода. Однако за рубежом тенденция иная: четырехтактные двигатели составляют подавляющее большинство мотоциклов. В первую очередь это объясняется тем, что ужесточаются международные правила по нормам токсичности отработавших газов (ОГ). А снижать вредность ОГ четырехтактного двигателя проще, чем двухтактного.

Отечественный мотопром выпускает штатные двухцилиндровые двигатели только два завода: Ирбитский - четырехтактный и двухтактный ИЖ-«Юпитер», все остальные – одноцилиндровые двухтактные.

Мотоциклы в зависимости назначения и по мере желания клиента могут комплектоваться двигателями разной мощности, а мощность, в свою очередь, зависит от рабочего объема, следовательно, появилось деление мотоциклов на классы по этому признаку. Стали различать легкие (до 125 куб. см), средние (до 350 куб. см) и тяжелые мотоциклы (свыше 350 куб. см).

В практике зарубежного мотопроизводства сложились определенные закономерности. В соответствии с ними двигатели рабочим объемом до 50 куб. см – обычно одноцилиндровые двухтактные. (Например, у фирмы Honda, есть целый ряд четырехтактных моторов с объемом 50 куб. см). Двигатели с рабочим объемом 125 – 250 куб. см могут быть и одно- и двухцилиндровыми. С увеличением объема в двигателе внутреннего сгорания увеличивается количество цилиндров, правда, в диапазоне объемов 400 – 600 куб. см есть прослойка двигателей с одним цилиндром. В данном случае это точно просчитанное техническое решение, у таких двигателей, обладающих прекрасной тяговой характеристикой и высокой надежностью, есть свои поклонники. Для таких клиентов фирма Yamaha выпускает мотоцикл XT 600Е класса «эндуро» с одноцилиндровым четырехтактным двигателем объемом 660 куб. см.

Обзор существующих штатных двигателей, используемых в мототехнике, учитывает следующий немаловажный классификационный признак – расположение цилиндров. Они могут располагаться: вертикально или горизонтально, в ряд или под углом друг к другу. К примеру, на «Сове» производства ковровского завода им. В,А. Дегтярева один цилиндр установлен вертикально, двигатель ИЖ-«Юпитер» – это пример вертикального рядного расположения, «Урал» имеет оппозитное размещение цилиндров. За рубежом такой тип двигателя принято называть «боксер». Его традиционные приверженцы – конструкторы BMW (рис. 4.5).

Столь же традиционно держатся за свою схему инженеры Ducati, но в их варианте цилиндры располагаются V-образно вдоль оси мотоцикла, причем передний цилиндр лежит почти горизонтально, а задний – вертикально. Иногда такое расположение более точно называют L-образным. А вот знаменитый Harley-Davidson, начиная с 1908 года, производит мотоциклы с V-образными двигателями, на которых цилиндры стоят продольно друг за другом (рис. 4.6).

Итальянская фирма «Moto Guzzi», тоже производит свои V-образные двигатели с поперечным расположением цилиндров.

Четырехцилиндровых двигателей в мотомире огромное количество. Их делают BMW и Honda, Kawasaki и MV Agusta, Suzuki и Yamaha. В арсенале Honda есть несколько моделей с оппозитными 6-цилиндровыми двигателями. Активно ведется разработка мощных 8-цилиндровых ДВС.

Работа над усовершенствованием двигателя – наиболее ответственный элемент тюнинга автомобиля или мотоцикла. С другой стороны можно грамотно использовать заложенный в конструкцию ресурс. Используемые разработчиками современные технологи постепенно сокращают диапазон вносимых изменений. Поэтому доводке лучше подлежат несколько устаревшие конструкции двигателей, обладающие большим заделом прочности и возможностями дальнейшей модернизации. Но всегда следует помнить – например, увеличение мощности любого двигателя имеет свой предел. Ключевой аспект модифицирования в обеспечении разумной достаточности силового запаса двигателя. Все зависит от умения прогнозировать ситуацию, четко представлять результат действий по совершенствованию автомобиля и арсенала средств для достижения поставленных целей. Вновь разрабатываемые серийные модели обладают параметрами, основанными на выборе компромиссных соотношений между мощностью двигателя, его моторесурсом – конструктивной прочностью кузова и требованиями по всем видам безопасности, гарантийным сроком службы узлов и агрегатов.

Тюнинг ДВС осуществляется в двух направлениях:

- увеличение крутящего момента на коленчатом вале;

- повышение числа оборотов, без изменения тяговых характеристик.

Выбор зависит от функционального назначения автомобиля. Но возможность тюнинговать существует не для всякого двигателя. Мощность повышается за счет увеличения рабочего объема цилиндра. Его величина зависит как от хода поршня, так и от его диаметра. Изначально требуется принять решение – какой требуется объем цилиндра для получения максимального желаемого эффекта.

Выявить резервы форсирования двигателя можно, рассмотрев формулу для расчета эффективной мощности, кВт:

Pe = Рme Vs i n/(30 t),

где Рme - среднее эффективное давление, МПа; Vs - рабочий объем цилиндра, дм3; i - количество цилиндров двигателя; n - частота вращения коленвала, мин-1; t - тактность двигателя.

Повысить мощность можно также как за счет увеличения рабочего объема цилиндра Vs путем изменения диаметра и хода поршня, так и за счет увеличения количества цилиндров. Увеличение количества цилиндров неизбежно связано с ростом габаритных размеров двигателя, что не всегда приемлемо из-за ограниченного пространства моторного отсека автомобиля. Увеличение хода поршня может быть осуществлено как путем замены коленвала на новый, так и путем эксцентричного обтачивания, например, шатунных шеек на уменьшенный диаметр. Немаловажным здесь является и то обстоятельство, что замена коленвала на новый, с увеличенным радиусом вращения кривошипа, сопровождается некоторым увеличением массы двигателя.

Поскольку Vs = D2S/4, то очевидно, что увеличение диаметра цилиндра D оказывает на повышение мощности большее влияние, чем такое же увеличение хода поршня S. Если принять во внимание, что многие автомобильные двигатели имеют резерв для увеличения диаметра поршня без изменения внешних габаритов блока цилиндров, т.е. за счет расточки цилиндровых втулок под поршни увеличенного диаметра, то этот путь для тюнинга двигателя выглядит достаточно привлекательным.

Наконец, повысить мощность двигателя можно за счет увеличения среднего эффективного давления Рme. Наиболее действенным способом увеличения является наддув. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.

Мощность двигателя с наддувом в значительной мере пропорциональна давлению наддува и определяется по формуле

Pek = Pe(Рka / Рo),

где Pek – мощность двигателя с наддувом; Pe – мощность двигателя без наддува; Рka – абсолютное давление наддува; Рo – атмосферное давление.

Применение наддува влечет за собой увеличение и тепловой нагрузки на детали двигателя. Решение этой проблемы может быть достигнуто, например, путем охлаждения поршней маслом через специальные форсунки со стороны картера, а также установкой жаростойких клапанов. Система охлаждения также должна быть рассчитана на отвод большего количества теплоты. Это достигается установкой радиатора большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением – увеличением количества охлаждающего цилиндры воздуха. В зависимости от уровня форсирования двигателя может потребоваться и эффективное охлаждение смазочного масла.

Следует иметь в виду, что при отсутствии наддува мощность наддуваемого бензинового двигателя, как правило, ниже, чем у двигателя без наддува, который не предназначается для наддува. Основная причина здесь в том, что у двигателя с наддувом для предотвращения детонационного сгорания геометрическую степень сжатия несколько уменьшают.

Вопрос о правильном выборе степени сжатия для двигателя с наддувом имеет очень важное значение, особенно для бензиновых двигателей. В этой связи необходимо различать степень сжатия геометрическую e и степень сжатия эффективную e_e.

Геометрическая степень сжатия представляет собой отношение полного объема над поршнем, при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ), к объему над поршнем при положении его в верхней мертвой точке (ВМТ) и определяется по формуле

e = (V_s+ V_c) / V_c,

где V_s – рабочий объем цилиндра; V_c – объем камеры сгорания.

В современных автомобильных двигателях стремятся иметь значение степени сжатия максимально возможным, так как при этом достигаются наиболее высокие значения мощности и крутящего момента, а удельный эффективный расход топлива будет меньше.

В бензиновых двигателях значение e ограничено выполнением условия недопустимости возникновения детонационного сгорания. Граница детонации зависит не только от значения e, но и от других конструктивных параметров двигателя, например, от формы камеры сгорания, количества свечей зажигания на один цилиндр и т.п., а также качества используемого топлива.

В дизелях в связи с особенностями процесса смесеобразования проблема возникновения детонационного сгорания отсутствует. Для дизелей необходимо избегать пониженных значений степени сжатия, так чтобы и при неблагоприятных условиях (например, при очень низкой температуре окружающей среды) обеспечить надежное самовоспламенение смеси в цилиндре. Поэтому легковые автомобили оснащаются дизельными двигателями со степенью сжатия от 19 до 23. При этом более высокие значения e назначаются в двигателях с предкамерным и вихрекамерным смесеобразованием, где поверхность камеры сгорания увеличенная. Большие значения е являются основной причиной высокой экономичности дизельных двигателей. Дальнейшее увеличение e не дает существенного выигрыша в экономичности, но требует более жесткой конструкции основных деталей двигателя, а следовательно, увеличения его металлоемкости, что для автомобильного двигателя крайне нежелательно.

Степень сжатия автомобильных дизелей с наддувом оставляют практически такой же, как и в двигателях без наддува. При возникновении значительной тепловой нагрузки на поршни проблема решается, например, путем опрыскивания днища поршней моторным маслом через специальные форсунки со стороны картера.

Степень сжатия бензиновых двигателей без наддува при используемом в центральной Европе топливе составляет от 7 до 11. Для нижней границы этого диапазона применяется бензин А76, тогда как для верхней требуется бензин Super с октановым числом, определенным по исследовательскому методу, не менее 98 единиц (соответствует АИ98).

В бензиновых двигателях за счет настройки систем впуска и выпуска даже при отсутствии наддува давление конца сжатия в цилиндре может превышать давление, обеспечиваемое только за счет геометрической степени сжатия. А в случае применения наддува уровень давления, при котором осуществляется рабочий цикл, становится выше, поэтому, если не принять специальных мер, легко может быть достигнута и даже превышена граница детонации.

Между геометрической и эффективной степенью сжатия, действительно имеющейся в двигателе, часто возникает значительная разница. Определить значение эффективной степени сжатия приближенно можно по формуле

е_e = e (Р_ka / Р_o) / k,

где k - показатель адиабаты, равный 1,41.

Формула дает удовлетворительные результаты при допущении, что температура в конце процесса сжатия у двигателя с наддувом и без наддува одинаковая. Очевидно, что для обеспечения бездетонационного сгорания при увеличении наддува геометрическую степень сжатия необходимо уменьшать. Например, если двигатель без наддува имеет степень сжатия 10, то в случае наддува его при давлении Р_ka = 1,3 бар следует геометрическую степень сжатия уменьшить до 8,3, а в случае наддува при давлении Р_ka = 1,8 бар – до относительно низкого значения 6,6.

Важным фактором, позволяющим повысить степень сжатия без риска возникновения детонационного сгорания, является охлаждение наддувочного воздуха. Например, если двигатель с наддувом и без холодильника наддувочного воздуха уже при степени сжатия 8 работает близко к границе детонации, то при оснащении его эффективным холодильником степень сжатия удается повысить до 9.

Такт впуска двигателя внутреннего сгорания работает как насос, к тому же весьма неэффективно: на пути воздуха находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах – еще и дроссельная заслонка. Все это снижает наполнение цилиндра. Чтобы этого избежать, можно повысить давление перед впускным клапаном, тогда воздуха в цилиндре поместится больше. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.

Мы уже упоминали что, доработка двигателя может производиться как с целью увеличения мощности, так и в рамках обеспечения экономичности. В любом из случаев дело приходится иметь с расчетными величинами. Реальные параметры механической энергии, выдаваемые двигателем внутреннего сгорания, отражаются в крутящем моменте при определенных оборотах. Однако динамики разгона можно добиться без существенных потерь энергии при передаче увеличенного вращающего момента на приводные колеса. Серийные двигатели обладают весьма ограниченным резервом по настройке, и этот резерв тем меньше, чем совершеннее силовой агрегат. То есть мотор стандартного, а тем паче – «древнего» авто имеет серьезный запас для усовершенствования, его моментная характеристика оптимальна на низких оборотах. Штатная программа управления двигателем отвечает за обеспечение минимального расхода топлива, а также за соответствие содержания в нем вредных примесей в рамках экологических норм. Все это делает обычный автомобиль практичным и удобным в эксплуатации.

Практические методы увеличения мощности ДВС:

- увеличение рабочего объема цилиндра;

- увеличение степени сжатия;

- уменьшение механических потерь при движении механизмов;

- оптимизация процессов горения смеси в цилиндре;

- увеличение наполнения цилиндров;

- использование наддува;

- использование суперчарджеров;

- перенастройка фаз газораспределения, систем впуска и выпуска;

- установка новых систем управления двигателем (чип-тюнинг).

Увеличение рабочего объема двигателя

Увеличение рабочего объема двигателя выполняется заменой коленвала на другой с большим ходом, доработкой головки блока цилиндров, с увеличением диаметра цилиндра или то и другое одновременно. Не надо забывать, что при изменении объема двигателя, необходимо увеличить объем камеры сгорания для компенсации увеличения объема цилиндра.

Рабочий объем двигателя можно увеличить за счет установки коленвала с увеличенным радиусом кривошипа и укороченным шатунном.

Чем короче шатун, тем с большим углом он "переламывается", тем с большим усилием он прижимает поршень к стенке цилиндра. А чем больше усилие прижима, при том же коэффициенте трения, тем больше величина сопротивления движению поршня. И этот фактор следует рассматривать не только с точки зрения механических потерь, но и с точки зрения надежности, т.к. короткие шатуны подвергаются большим нагрузкам.

Очевидный выигрыш в плане минимизации затрат – увеличение рабочего объема за счет увеличения диаметра цилиндра. Как правило, все двигатели имеют достаточно толстую стенку цилиндра, запас по прочности. Если, скажем, на два миллиметра увеличить диаметр, то можно получить дополнительный объем. При толщине стенки 7 – 8 мм одним миллиметром можно пожертвовать. И достаточно часто можно обойтись серийными поршнями.

Стандартные поршни можно заменить на специальные с меньшей компрессионной высотой, можно расточить цилиндры в головке блока, изменить диаметр, формы и направления каналов камеры сгорания, диаметры клапанов, заменить направляющие втулки на более износостойкий материал, использовать более жесткие пружины клапана.

Увеличение объема двигателя приводит к увеличению максимального крутящего момента, но при этом происходит снижение оборотов максимальной мощности. Это происходит из-за уменьшения механического КПД. Если повышение объема происходит за счет увеличения диаметра цилиндров, то возрастает площадь контакта между стенками цилиндра и поршнем с поршневыми кольцами. Как следствие повышается трение. Если повышение объема происходит за счет увеличения хода коленвала, то возрастает средняя скорость поршня, что приводит к тем же результатам. В любом случае повышение объема приводит к падению общего КПД двигателя.

Для ВАЗовских двигателей, используемых на переднеприводных автомобилях, существуют коленвалы с ходом 60.6, 71, 74.8, 75.6, 78, 80, 84 мм. При установке коленвала с большим ходом необходимо доработать (либо заменить) шатуны или поршни.

К расточке цилиндров блока на значительную величину (2 мм) нужно подходить осторожно. Например, при расточке серийного блока ВАЗ 21083 с 82 мм до 84 мм у двигателя наблюдается повышенный расход масла. Это происходит за счет потери жесткости блока. В этом случае лучше использовать специальную толстостенную отливку блока.

Увеличение степени сжатия

Увеличение степени сжатия (степени расширения) является эффективным способом повышения КПД двигателя. Геометрический объем камеры сгорания складывается из:

- объема камеры сгорания в головке;

- объема в прокладке;

- объема, созданного недоходом поршня до плоскости разъема (если есть);

- объема выборки в поршне (если вытеснитель то со знаком "-").

При работе двигателя, особенно на высоких оборотах, геометрический объем камеры сгорания уменьшается. Это происходит из-за выбирания зазоров, термического расширения поршня, динамического удлинения шатуна. Так, на гоночном беспрокладочном моторе при сборке поршень не доходил до плоскости головки 0.85 мм. После эксплуатации двигателя на 9000 об./мин на поршне и плоскости головки присутствовали явные следы контакта.

Степень сжатия зависит от фаз газораспределения (запаздывания закрытия впускного клапана) и угла открытия дроссельной заслонки. Так, на серийных двигателях угол зажигания при частичных нагрузках превышает 40 градусов. Это возможно благодаря низкому наполнению цилиндров и, как следствие, понижению степени сжатия. Чем выше наполнение, тем выше степень сжатия. Существует понятие динамическая степень сжатия. У большинства двигателей, дорожных и гоночных, динамическая степень сжатия находится в диапазоне от 7 до 10 и зависит от октанового числа используемого бензина. Очень высокая геометрическая степень сжатия спортивных двигателей в первую очередь объясняется применением распределительных валов с широкими фазами. Установка на двигатель модифицированного распредвала с широкими фазами позволяет несколько увеличить геометрическую степень сжатия. Повышение степени сжатия с переходом на бензин с более высоким октановым числом приводит к увеличению мощности во всем диапазоне оборотов.

Уменьшение механических потерь при движении механизмов

Механические потери двигателя складываются из потерь на трение, насосных потерь, потерь на привод вспомогательного оборудования.

Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре. Потери зависят от площади трущихся деталей, жесткости и количества поршневых колец, толщины масляной пленки и средней скорости поршня. При превышении средней скорости поршня выше 20 м/сек. резко возрастают потери на трение и нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Поэтому на высокофорсированных двигателях для увеличения механического КПД необходимо уменьшать ход поршня.

Для уменьшения потерь на трение в паре поршень – цилиндр, необходимо использовать сборные маслосъемные кольца, также целесообразно несколько увеличить зазор между поршнем и цилиндром. Облегчение шатуна, особенно верхней головки, уменьшает боковое давление на поршень, с этой же целью нужно использовать по возможности более длинный шатун, что благоприятно скажется на уменьшении потерь на трение. Теоретически необходимо подогнать по весу и отбалансировать все детали кривошипно-шатунного механизма.

Для уменьшения потерь на трение в гоночные моторы устанавливаются новые поршни со значительно уменьшенной площадью юбки, одним компрессионным кольцом, высотой 1.2 мм и сборным маслосъемным кольцом высотой 2 мм Также используются специально изготовленные шатуны Н-образного сечения, которые длинней серийного на 12 мм и намного жестче и легче.

Для уменьшения трения в шейках коленчатого вала, необходимо хонингованием увеличить на 0.02 мм (от номинального серийного (ВАЗ)) внутренний диаметр нижней головки шатуна и постелей коленчатого вала. Падения давления масла при этом не происходит. Также необходимо проконтролировать легкость вращения распределительного вала.

При наполнении цилиндров воздухом возникает перепад давлений между цилиндрами двигателя и атмосферой. Двигатель в этой части цикла работает как насос, и на его привод расходуется часть мощности. Чем меньше аэродинамическое сопротивление впускной системы, тем меньше потери энергии. Следовательно, уменьшение сопротивления в головке приводит не только к увеличению наполнения, но и к уменьшению насосных потерь. Таким же образом благотворно сказывается установка распределительных валов с более широкими фазами.

Уровень масла в поддоне серийного двигателя находится в непосредственной близости от вращающегося коленчатого вала. При боковых и линейных ускорениях автомобиля масло попадает на противовесы и шейки коленчатого вала и тормозит его вращение. Применение системы "сухой картер", когда масло откачивается из поддона в отдельную емкость, позволяет увеличить мощность двигателя, особенно при высоких оборотах.

Часть энергии двигателя используется на привод вспомогательного оборудования, таких как: привод газораспределительного механизма, водяной насос, генератор и т.д. Для форсированных двигателей, используемых на высоких оборотах коленвала, целесообразно увеличить передаточное отношение привода водяного насоса и генератора. При установке кондиционера и гидроусилителя руля эффективная мощность двигателя снижается.

Оптимизация процессов горения смеси в цилиндре

Характеристики ДВС, в конечном счете, зависят от процессов, происходящих в камере сгорания, где происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Перемешивание свежего заряда с остаточными газами, воспламенение смеси, протекание горения и потери теплоты зависят от конструкции камеры сгорания.

Во всех двигателях внутреннего сгорания процесс горения регулируемый: топливо смешивается с окислителем – кислородом воздуха, жидким кислородом, азотной кислотой и др. в строго определенных соотношениях.

При работе двигателя на нормальной смеси, в составе которой на 1 кг паров топлива приходится 15 кг воздуха, мощность его достаточно высока при неплохой экономичности. При уменьшении воздуха до 12,5 – 13 кг смесь, обогатится, станет так называемой мощностной, и при сгорании создается максимальное давление на поршни, а значит, высокая мощность. Правда, экономичность ухудшается довольно ощутимо, на 15-20%.

Дальнейшее обогащение – 5 – 6 кг воздуха на 1 кг топлива приводит к тому, что способность смеси к воспламенению ухудшается настолько, что двигатель вообще может остановиться (рис. 4.7).

Правильно оценить состав смеси, поступающей в цилиндры двигателя на различных режимах работы, можно проверкой состава отработавших газов на содержание оксида углерода СО.

Зависимость основных характеристик двигателя от состава топливно-воздушной смеси.

Без широкополосного лямбда-зонда нельзя идеально настроить карбюратор автомобиля. Это также касается и инжекторных двигателей. Лямбда-зонд (λ-зонд) являет собой датчик кислорода в выпускном коллекторе автомобильного двигателя. С его помощью оценивается количество оставшегося свободного кислорода в выхлопных газах.

Конструкция камеры сгорания должна обеспечить перемешивание свежего заряда – для улучшения процессов сгорания, быть компактной – для уменьшения тепловых потерь и уменьшения вероятности возникновения детонации. Чем больше площадь поверхности камеры сгорания, тем больше тепла отводится наружу и теряется, следовательно уменьшается мощность. Чем на большее расстояние перемещается фронт пламени, тем больше вероятностью возникновения детонации потому, что увеличивается время контакта еще не воспламенившейся смеси с горящим зарядом.

Большая часть объема в камере сгорания должна быть сконцентрирована около свечи (рис. 4.8). Во время движения поршня к ВМТ смесь выдавливается из зазора между головкой поршня и плоскостью головки в сторону свечи зажигания, при этом происходит интенсивное движение (турбулизация) заряда, что способствует лучшему сгоранию. Чем меньше зазор, тем меньше вероятность возникновения детонации, так как уменьшается общее количество смеси отдаленной от свечи зажигания. Правда, при этом работа двигателя становится жестче из-за более высокой скорости нарастания давления.

Не следует распиливать камеру сгорания со стороны свечи до размеров цилиндра, хотя при этом и происходит большая концентрация смеси в оптимальной зоне. Необходимо создать небольшую зону противодавления, препятствующую забрызгиванию свечи зажигания.

Полирование поверхности камеры сгорания и днища поршня способствует некоторому уменьшению тепловых потерь (повышению относительного КПД), хотя в процессе длительной работы двигателя они покрываются нагаром.

Увеличение наполнения цилиндров

Увеличение коэффициента наполнения цилиндров (объемного КПД) является самым эффективным способом повышения мощности двигателя. Все остальные мероприятия, весьма трудоемкие и дорогостоящие, приводят к не очень высоким результатам.

Максимальный коэффициент наполнения серийного двигателя ВАЗ 21083 примерно равен 75%. То есть в двигатель попадает количество воздуха, равное 75% от общего объема цилиндров. На лучших гоночных атмосферных двигателях (двигатели без наддува) коэффициент наполнения достигает 115 – 125%. При правильной настройке двигателя с низким сопротивлением впускной системы можно добиться показателей коэффициента наполнения выше 100%. Коэффициент наполнения меняется при разных режимах работы двигателя и достигает своего максимального значения при благоприятном перепаде давлений в цилиндре, впускной и выпускной системах в узком диапазоне оборотов, близком к оборотам максимального крутящего момента.

При работе двигателя во впускной и выпускной системах происходят волновые процессы, их свойства зависят от многих причин: геометрических размеров и аэродинамического сопротивления впускной и выпускной систем, фаз газораспределения, оборотов двигателя и других факторов. С изменением режимов работы двигателя форма, частота и амплитуда волн меняются. Для повышения максимальной мощности необходимо создать условия, при которых наибольший коэффициент наполнения сдвинется на более высокие обороты. Например, если на двигателе ВАЗ 21083 мы повышаем коэффициент наполнения до 100% на 3000 об./мин., то мощность возрастает с 48 до 62 – на 14 л.с., а если на 6000 об./мин. до тех же 100%, то мощность возрастает с 67 до 133 – на 66 л.с.

Увеличение оборотов максимальной мощности для повышения КПД атмосферного двигателя является неизбежным, так как коэффициент наполнения невозможно увеличить выше определенного числа, но можно поднять обороты, при которых достигается его максимальное значение. При этом происходит увеличение отдачи энергии за единицу времени. Именно этим объясняются высокие обороты двигателей «Формула-1» (17000-18000 об./мин).

Для увеличения коэффициента наполнения также необходимо снизить аэродинамическое сопротивление во впускной и выпускной системах и каналах головки двигателя. Самое высокое сопротивление возникает в районе клапанной щели. Модификации именно этой части газовых каналов нужно уделять особое внимание. Скорость воздуха во впускной системе не должна превышать 50-70 м/с. Для увеличения оборотов двигателя необходимо увеличить проходные сечения газовых каналов и в первую очередь диаметры тарелок клапанов. Это позволит увеличить обороты максимальной мощности и сделать перегиб кривой более плавным. Но при этом может наблюдаться некоторое падение мощности на малых и средних оборотах. Это объясняется тем, что при этих режимах скорость воздуха недостаточно высока.

Установка на двигатель многодроссельной системы с индивидуальной впускной трубой на каждый цилиндр позволяет значительно повысить мощность, но только в том случае, если перекрытие клапанов достигает существенной величины (перекрытие – это одинаковая высота открытия впускного и выпускного клапана в верхней мертвой точке, на серийных распределительных валах 0.2 – 0.8 мм, на спортивных 3 – 5 мм).

Установка спортивной выпускной системы также дает эффект только при высоком перекрытии клапанов. Так, установка "паука" на серийный двигатель может повысить мощность максимум на 2-3 л.с. Это обусловлено принципом работы настроенной выпускной системы. В первый момент после открытия выпускного клапана отработавшие газы устремляются в выпускную трубу со скоростью превышающею скорость звука. Быстрое удаление первой части отработавших газов создает в выпускной трубе низкое давление. При достижении звуковой волной первого резкого увеличения диаметра выпускной системы (как правило резонатора) давление в системе повышается. Это создает первую волну, после чего колебательный процесс продолжается с уменьшающейся амплитудой.

Если впускной клапан открывается в тот момент, когда в выпуске давление ниже, чем во впускном канале, то дополнительное разрежение способствует увеличению наполнения. При этом часть свежей смеси высасывается в выпускной канал. При благоприятных условиях эта часть заряда выталкивается обратно в цилиндр зоной повышенного давления перед самым закрытием выпускного клапана. Чем выше высота перекрытия клапанов, тем более ярко выражен этот процесс. К сожалению, это происходит в узком диапазоне оборотов, зависящем от геометрии впускной, выпускной систем и фаз газораспределения. В остальных режимах работы двигателя может происходить обратный процесс, когда зона повышенного давления в выпуске в момент перекрытия мешает поступлению свежего заряда. Именно поэтому такие выпускные системы называются настроенными (настроенными на узкий диапазон оборотов).

Изменение размеров выпускной системы, а также конструкции и месторасположения резонатора оказывают огромное влияние на характеристику форсированного двигателя.

Рабочая температура спортивного двигателя не должна превышать 75-80 градусов. При такой температуре достигается максимальное наполнение и уменьшается вероятность детонации. На стендовых испытаниях при увеличении температуры охлаждающей жидкости с 70 до 95 градусов наблюдается падение максимальной мощности на 4-6%. Для поддержания низкой температуры двигателя на спортивные автомобили необходимо устанавливать масляные радиаторы, а также водяные радиаторы с повышенной площадью.

При значительном увеличении оборотов и мощности двигателя существенно возрастают нагрузки на его детали. В первую очередь это относится к клапанам, коленвалу, поршням, шатунам и шатунным болтам. Также увеличение давления в цилиндрах двигателя повышает требования к уплотнению разъема между блоком и головкой. Поэтому в высокофорсированных спортивных двигателях необходимо использовать специально изготовленные высококачественные комплектующие.

Для уплотнения разъема головки и блока рекомендуется использовать так называемую беспрокладочную конструкцию. В блоке фрезеруются канавки, в которые вставляются пассики из специальной термостойкой резины. Головка блока притягивается с моментом 6 кгм. Такая конструкция намного жестче, чем блок с серийной прокладкой, и имеет более высокую теплоотдачу, устойчивость к разрушению от детонации и перегрева двигателя.

Использование наддува

Наиболее действенным способом повышения мощности является наддув. Но применение наддува влечет за собой увеличение и тепловой нагрузки на детали двигателя. Решение этой проблемы может быть достигнуто, например, путем охлаждения поршней маслом через специальные форсунки со стороны картера, а также установкой жаростойких клапанов.

Двигатель при одних и тех же оборотах может производить больше мощности, если в цилиндры будет попадать больше воздушно-топливной смеси. Большее количество воздушно-топливной смеси дает большее давление в цилиндре и большую отдачу. Это один из путей повышения мощности двигателя. Турбированные двигатели производят мощности на 30 – 60% больше, чем такой же двигатель без турбины. Следует иметь в виду, что при отсутствии наддува мощность наддуваемого бензинового двигателя, как правило, ниже, чем у двигателя без наддува, который не предназначается для наддува. Основная причина здесь в том, что у двигателя с наддувом для предотвращения детонационного сгорания геометрическую степень сжатия несколько уменьшают.

В автотранспортных средствах используются компрессоры наддува воздуха объемного типа и турбокомпрессоры. Наиболее распространенный компрессор типа Roots (рис. 4.9). Он приводится в действие от коленчатого вала. Внутри компрессора находятся два ротора, похожие на шнеки в мясорубке, вращающихся на встречу друг другу. Работает за счет распределения направленности воздуха из центральной части к окружности. В полость между роторами и корпусом воздух по внешнему периметру корпуса попадает в нижнюю часть. Каждый ротор имеет 2 или 3 кулачка. Например, у В&М и Weiand их два, а у нагнетателей для автомобилей General Motors и у аналогичных Weiand, BPS, Hempton Kuhl, Littlefield, Dyer. Mooneyham - их 3. Если придать роторам спиральную форму, 2-х кулачков будет недостаточно для нагнетания - суперчарджер не будет работать. Необходимо установить 3-ий кулачок, что и сделали конструкторы GMC. Кстати, на замерах мощности прямых 2-х кулачковых нагнетателей, никаких заметных отличий мощности найдено не было.

На рис. 4.10 показан турбокомпрессор.

Компрессор представляет собой автономный агрегат, который дополнительно подает воздух в камеры сгорания, улучшая их очистку и повышая качественность рабочей смеси. Таким образом, происходит увеличение мощности двигателя. Одна из частей турбокомпрессора соединена с выпускной системой мотора и работает за счет энергии выпускных газов, а другая часть соединена с впускной системой. Поступающий воздух нагнетается по патрубкам через интеркуллер во впускной коллектор и попадает в камеру сгорания, тем самым происходит увеличение мощности двигателя.

При установлении турбонагнетателя необходимо, взамен выпускного коллектора, установить другой, с фланцем для крепежа турбины (и внешним клапаном сброса избыточного давления), затем на него вешается турбонагнетатель и соединяется вход с выпускной системой (измененной штатной или полностью новой). Нагнетательный вход присоединяется к воздушному фильтру (желательно тоже заменить на фильтр нулевого сопротивления), а выход, через который воздух под давлением в мотор, к интеркулеру (промежуточный охладитель воздуха). Именно из интеркулера охлажденный воздух попадает к дроссельной заслонке. После такого апгрэйда получают 30 – 40 % прибавки в мощности авто.

Если устанавливается турбина с высокой степенью давления наддува, то необходимо уменьшить степень сжатия, например, заменой поршневой группы на кованую или установкой многослойной прокладки под головку блока цилиндров.

Монтаж турбины занимает намного больше времени, чем компрессора, и зачастую требует дополнительных денежных вложений.

Интеркулер предназначается для того, чтобы в летнее время года объем воздуха попадающего в впускной коллектор по объему равнялся количеству воздуха, необходимого для образования воздушно-топливной смеси. Сгораемое топливо всецело зависит от процентного состава смеси воздух-топливо и определяет качество выхлопных газов автомобиля. Чем качественнее смесь, тем больше увеличение мощности двигателя автомобиля. Дизельный насос располагает турбокорректорором, который отвечает за подачу топлива относительно подаваемого в камеру сгорания воздуха. Подобная коррекция совершается и в инжекторных системах.

Для того чтобы увеличить мощность серийного двигателя, можно произвести установку системы турбо-кит (рис. 4.11). Система обеспечивает подачу в камеры сгорания двигателя большего количество воздуха. В результате топлива сгорает больше, и мощность двигателя возрастает в несколько раз.

При повседневной езде расход топлива автомобиля с установленным турбо-китом не сильно отличается от тех, которые не оснащены вышеуказанной системой. Но при скоростной езде топливо расходуется более интенсивно.

Турбокомпрессор – одна из деталей двигателя, напрямую влияющая на его мощность. Соединенный с турбиной с помощью жесткого вала, или оси, турбокомпрессор, засасывая воздух через фильтр, подает его в сжатом виде непосредственно в двигатель. От объема воздуха, поступающего в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, зависит объем сжигаемого топлива, а значит, и мощность мотора.

Турбо-кит состоит из:

- турбокомпрессора, откуда воздух под давлением через впускной клапан поступает в мотор;

- выпускного коллектора, выполняющего функцию закрепления турбины на двигателе автомобиля;

- интеркулера, или внутреннего охладителя – с помощью этого элемента понижается температура подаваемого к двигателю воздуха;

- перепускного клапана, регулирующего давление газов после прохождения их через турбину;

- клапана, регулирующего давление воздуха во время переключения передач;

- системы управления, которая отвечает за подачу топлива.

Если владелец автомобиля желает установить турбо-кит, он должен знать некоторые подробности. На автомобили, оснащенные автоматической коробкой переключения передач, турбину большой мощности устанавливать нежелательно, иначе может произойти сбой электронной системы управления.

Перед установкой турбо-кита, нужно провести предварительную подготовку: заменить или обработать поршни таким образом, чтобы степень сжатия двигателя снизилась, а также заменить форсунки более производительными и установить программируемую систему управления двигателя. Система турбо-кит нуждается в особом внимании и уходе, например, необходимо регулярно проводить замену масла.

Итак, установка турбо-кита дает возможность значительного увеличения мощности двигателя автомобиля без снижения его ресурса.

Использование суперчарджеров

Принцип работы суперчарджера достаточно прост. В двигателе внутреннего сгорания топливно-воздушная смесь засасывается в цилиндр, где сжимается поршнем и воспламеняется свечой зажигания. В результате взрыва поршень движется вниз, и процесс повторяется. Чем больше объем двигателя, тем больше топливно-воздушной смеси в него влезет, тем больше будут мощность и тяга. Суперчарджер нагнетает смесь в двигатель под давлением, увеличивая мощность и тягу, т.е. как бы увеличивая объем двигателя.

Существует несколько типов суперчарджеров с разной степенью эффективности, но принцип их действия практически одинаков. Все они приводятся в движение от коленвала с ремнем и содержат одну или несколько крыльчаток, которые, вращаясь, загоняют воздух в двигатель. В настоящее время существует два вида суперчарджеров: с внутренней и с внешней компрессией. Суперчарджер с внутренней компрессией сжимает входящий воздух изнутри самого себя, работая как компрессор. Суперчарджер с внешней компрессией работает как обычный насос, просто закачивающий воздух в двигатель, нагнетатель Рутса. Раньше они были наиболее распространены, но сейчас стремительно набирают популярность суперчарджеры внутреннего типа. К этому типу относятся Paxton, Pro Chager. Винтовой нагнетатель Whipple также относится к этому типу.

Суперчарджеры с внутренней компрессией-центробежные

При ровном давлении центробежный нагнетатель дает больший прирост мощности, чем нагнетатель Рутса. Причина в том, что центробежный нагнетатель не так сильно нагревает воздух. С другой стороны, прирост мощности от центробежного суперчарджера пропорционален оборотам, а значит, он уступает нагнетанию Рутса на низких оборотах.

Одним из самых важных достоинств чарджеров с внутренней компрессией является их хорошая совместимость с инжекторами. Эти нагнетатели устанавливаются сбоку двигателя как компрессор кондиционера. Как правило, клапан тяги системы впрыска крепится на входе чарджера, а выход чарджера – на вход инжектора. Что касается их установки на Хот-Роды, то нагнетатель Рутса не собирается сдавать свои позиции. Суперчарджеры этого типа, чье применение изначально и ограничивалось установкой на Street-rod и ранние Street-machine, благополучно используются и сейчас. Причина в том, что для установки Centrifugal Supercharger на Street-rod придется прорезать боковую поверхность капота. К тому же на старых машинах контроль над выхлопом менее жесткий и для них чаще всего выбирают именно Roots, не столько из-за эффективности, сколько из-за внешнего вида. Centrofugal Superchargers выпускаются разными компаниями.

Между тем, объединенные одной целью, они имеют различия. Paxton – центробежный суперчарджер – приводится в движение от коленвала ремнем, но у него есть одна внутренняя шарикоподшипниковая передача, позволяющая разгонять крыльчатку до 30000 об/мин. Недостаток – ограниченный диапазон нагнетания, т.к. при слишком большом давлении шарики начинают проскальзывать, что приводит к повреждению суперчарджера. Сейчас выпускается модель NOVI2000 со спиральной передачей. Спиральные шестерки работают тише. Paxton утверждает, что нагнетание на этой модели – достигает 17 psi;

Vortech появилась в начале 90-х и стала первым серьезным конкурентом Paxton.

В суперчарджерах Vortech для внутренней передачи используются прямозубые шестерни. Их недостатком, особенно на холостых оборотах, является шум. Такие суперчарджеры увеличивают мощность в 1,5-2 раза, так как промежуточное охлаждение позволяет использовать больший напор. Цена увеличивается одновременно с эффективностью.

Перенастройка фаз газораспределения, систем впуска и выпуска

Задача, стоящая при модернизации газораспределительного механизма заключается в оптимизации фаз газораспределения (рис. 4.12).

Существует необходимость выбора режимов работы двигателя. Так же, как и при доводке КШУ, в одном случае – это достижение скоростных показателей, в другом – увеличение тяговых характеристик.

Распределительному валу уделяется особое внимание. Именно на нем лежит ответственность за характер изменений момента и мощности в соответствии с частотой вращения коленчатого вала. Распредвалы делятся на низовые и верховые. Первые – увеличивают момент в области низких оборотов двигателя, а вторые – в области высоких. Достигается это изменением высоты подъема и профиля кулачков, а также фазами открытия/закрытия клапанов.

Низовые валы имеют небольшую высоту подъема и отсутствие зоны перекрытия клапанов, что предотвращает выбрасывание рабочей смеси обратно во впуск на низких оборотах. Уменьшение высоты подъема влечет за собой неизбежную потерю наполнения на высоких оборотах, что приводит к уменьшению максимальной мощности двигателя. Однако это не столь важно, так как основная область их применения – езда в равномерном режиме. Основное достоинство таких валов – повышение крутящего момента на низах, что позволяет заметно увеличить динамику и лишний раз не использовать пониженную передачу.

Верховые валы, напротив, имеют широкие фазы, высокие подъемы и довольно большую зону перекрытия клапанов. Это позволяет увеличить наполнение на верхах как по причине увеличения проходного сечения в зоне клапана, так и за счет использования эффекта инерционного наддува. При этом почти всегда повышается мощность двигателя, а пик крутящего момента смещается в зону более высоких оборотов. Широкие фазы приводят к обратному выталкиванию смеси во впускной коллектор на низких частотах вращения, что вызывает снижение наполнения и провал на низах. Чем более верховой распредвал – тем сильнее этот эффект.

Рекомендуется также установка так называемой разрезной шестерни (шкива Вернера – рис.), которая позволяет, не меняя натяжения ремня, смещать фазы газораспределения, то есть, регулировать моменты открывания и закрывания впускных и выпускных клапанов с высокой точностью. Величина смещения стандартной шестерни – только один зуб, чего недостаточно для получения хорошего результата.

Учитывая, что современные автомобильные двигатели являются высокооборотными, можно утверждать, что дальнейшее форсирование их путем повышения частоты вращения KB является мало перспективным. Оснований для такого вывода несколько. Во-первых, при возрастании числа оборотов неизбежно повышаются потери на трение в подшипниках и в сопряжении поршней с цилиндровыми втулками (пальцами), растут потери на осуществление насосных ходов и т.п., что ведет к уменьшению механического КПД и снижению экономичности двигателя. Во-вторых, это ведет к уменьшению ресурса двигателя. Поэтому данный способ форсирования находит применение лишь на двигателях спортивных автомобилей, предназначенных для установления рекордов скорости и не претендующих на долговечность.

Одними из важнейших элементов газораспределительного механизма являются клапаны. Клапаны двигателя внутреннего сгорания функционируют в экстремальных условиях. Они подвержены совместному действию переменной механической нагрузки, высокой температуры, износа, коррозии и эрозии. Во время работы двигателя температура нагрева головки клапана может достигать 800° C, стержень нагружен циклическими растягивающими усилиями пружины, поверхность стержня подвергается сильному воздействию факторов трения, торец стержня испытывает интенсивные контактные нагрузки. Клапаны и седла клапанов подвергаются износу в результате ударов головки клапана о седло, повторяющихся с большой частотой, коррозионному действию агрессивных отработавших газов при повышенной температуре, а также эрозионному действию струи газа и продуктов неполного сгорания топлива. После некоторого периода, работы седло покрывается нагаром, который под влиянием высокой температуры накаляется, что приводит к выжиганию опорной поверхности клапана и потере герметичности. Не герметичность клапанов, в свою очередь, приводит к нарушениям в работе двигателя, к которым относятся затрудненный запуск, уменьшение мощности и др. При этом через образовавшиеся щели под высоким давлением проходит струя горячих рабочих газов, сильно нагревающих головку клапана. Вследствие такого нагрева края головки подправляются и клапан разрушается. С течением времени материал клапана может настолько снизить свою прочность в результате выгорания некоторых компонентов сплава, что возможен даже отрыв головки от стержня клапана. На интенсивность износа седел клапанов влияет также состав всасываемой в цилиндры смеси. Вели смесь слишком бедную, то сгорание происходит при более высокой температуре и коррозионное действие отработавших газов оказывается сильнее. Когда смесь слишком богата, сгорание идет медленнее и при более низкой температуре. Несгоревшие тяжелые фракции топлива ускоряют осаждение слоя нагара, коррозионно-агрессивного к материалу клапана. Поэтому к клапанам предъявляются очень жесткие технические и качественные требования. Характерными дефектами выпускных клапанов являются их прогорание и зависание, обрыв клапанных тарелок (термическое разрушение донышка). На выпускные клапаны приходится до 12% общего числа отказов по дизелю. Основная доля отказов (около 60 %) связана с разрушением рабочих поисков клапанов и их седел из-за образования глубоких раковин, требующих проточки и притирки. Наблюдается также изнашивание стержня по длине и направляющих втулок. (Следует отметить, что выпускные клапаны и седла изнашиваются гораздо быстрее впускных, так как их коррозия развивается интенсивнее).

Наибольший урон выпускным клапанам наносит газовая коррозия. Газовая коррозия – коррозия металлов, вызываемая действием паров и газов обычно при высоких температурах Металлы окисляются кислородом, парами воды, оксидом углерода, оксидом серы по следующих уравнениях. Для клапанов используется всегда жаростойкая (чаще всего хромистая) сталь, содержащая 8-15% Сг, 2-3% Si, 0,45%.

Сегодня для лучшего наполнения цилиндров топливом используются многоклапанные системы. Их число может достигать пяти. В этом случае количество клапанов на цилиндр фиксируется в обозначении двигателя.

Многодроссельный впрыск (Individual Throttle Bodies, ITB) внешне выглядит, как несколько установленных в один ряд коротких конических раструбов, поэтому в обиходе многие тюнеры называют их «дудками». Термин «многодроссельный впрыск» вспоминают обычно, когда речь заходит о дрэг-рейсинге, реже – в дискуссиях об автоспорте. Узнать его (число раструбов привязано к количеству цилиндров, то есть 4-дроссельный, 6-дроссельный и т.д.) довольно просто – впускные коллекторы таких двигателей не связаны в один узел. К каждому цилиндру подходит свой металлический патрубок, изогнутый или прямой. По компоновочным соображениям второй вариант используют чаще. Хотя, спору нет, «дудки», особенно импортные, выглядят красиво. Сверкающие хромом, а порой даже золотом, нацелившиеся по ходу движения «дула» прямо-таки завораживают. Двигатель сразу позиционируется как гоночный.

Появление многодроссельного впрыска, известного также как «прямые впускные каналы», в тюнинге не случайно. Как и многие другие технологии форсирования двигателей внутреннего сгорания, «мультидроссель» пришел из автоспорта, где применялся с 20-х годов. Правда, в начале ХХ века инжекторных систем еще не существовало и «дудки» совмещались с карбюраторами.

«Мультидроссели» применяются и на современных спортивных автомобилях. Их используют кольцевики всего мира. В том числе устанавливают и на мотоциклы.

Одну из самых широких линеек двигателей с многодроссельным впрыском представляет фирма TodaRacing, создающая гоночные двигатели для серийных японских спорткаров: Honda NSX и S2000, Mazda Miata, Nissan Skyline GT-R, Subaru Impreza WRX. Эта же система характерна и для двигателей BMW M3 и M5 – спортивных модификаций автомобилей третьей и пятой серий, подготовленных отделением M-Techniсk. Правда, опознать двигатели «эмок» как многодроссельные не так уж просто – впускные коллекторы закрыты пластиковыми или карбоновыми кожухами.

«Дудки» обожают англичане и американцы, которые выпускают спортивные двигатели или модифицируют стандартные. Так, довольно часто двигатели с многодроссельным впрыском Westfield можно увидеть на современных версиях легендарного Lotus Super Seven.

В принципе, «мультидроссели» предлагают для любых импортных бензиновых двигателей. Но многие фирмы-производители указывают, что их бессмысленно применять для низкофорсированных или «средних» двигателей: ITB должны быть последней стадией форсировки после изменения степени сжатия и перепрограммирования электронного блока управления («перепрошивки мозгов»). Если же речь идет не о специально сконструированном, а о стандартном, но переделанном двигателе, требуется замена форсунок на более производительные или установка пары форсунок на каждый тракт. Необходимы и другие модификации, в том числе полное изменение системы выпуска. Пара впуска и выпуска должна четко соответствовать друг другу. Распределительные, коленчатые валы, поршни, кольца и прочие детали тоже подлежат замене. Если собрать все переделки вместе, фактически получается совершенно другой двигатель.

Если забыть про карбюраторы, все многодроссельные системы можно поделить на два основных вида – с ресиверами и без них. Ресивер – это накопитель воздуха, обеспечивающий постоянное давление. Существуют подвиды – с воздушными фильтрами или «открытые». Смысл установки воздушного фильтра один: защитить двигатель от пыли (абразива).

Многодроссельная система улучшает наполнение цилиндров – это следствие усиления волн давления и разрежения во впускных каналах. Как известно, масса воздуха во впускном коллекторе движется волнообразно с определенной амплитудой. Фазы давления и разрежения должны быть четко синхронизированы с открытием/закрытием впускных и выпускных клапанов. Широкие равнодлинные каналы со сниженным газодинамическим сопротивлением создают подпор воздуха на рассчитанных оборотах мотора. Помимо этого отдельный впускной канал на каждый цилиндр позволяет избежать взаимного влияния трактов друг на друга – наложения волновых колебаний и неравномерного наполнения цилиндров. На практике несколько дроссельных заслонок вместо одной значительно ускоряют отклик автомобиля на нажатие педали газа. Разумеется, все это сказывается и на ВСХ. Со всеми перечисленными модификациями, которых набирается немало, прибавка максимальной мощности и крутящего момента хорошо собранного и отстроенного двигателя с такой системой возрастает на 10 – 15 процентов.

«Мультидроссель» требует трудоемких расчетов под каждый конкретный мотор. И все равно газодинамика не укладывается в формулы, поэтому после изготовления системы нужны испытания, доводки, новые расчеты и снова тесты. Для тюнингеров, как это легко понять, такой алгоритм совершенно неприемлем.

Кроме того, возникает довольно много «побочных эффектов»: снижается ресурс двигателя и повышается, из-за измененной системы питания, расход бензина. Важно также, что обслуживание, выбор материалов и изготовление самих деталей – весьма дорогое удовольствие.

Впускной коллектор точно так же, как и выпускная система, может рассматриваться как колебательная акустическая система со своими резонансными свойствами. Так как цель настройки состоит в получении максимального перепада давления, роль впускного коллектора, а точнее его геометрии, очевидна. Ее влияние для моторов с широкой фазой перекрытия может оказаться меньше, чем от выпуска, в силу меньшей энергетики, однако совместная настройка категорически необходима. Для узкофазных моторов (серийных) настройка впускного коллектора, пожалуй, единственный способ получить резонансный наддув.

Существует разница в настройке инжекторного и карбюраторного двигателей.

У двигателя с впрыском конструкция входного коллектора может быть любая, нет связи с конструктивными особенностями карбюратора, а значит, возможности настройки гораздо шире. Во-вторых, у него на кратных частотах отрицательное влияние обратного перепада давления существенно ниже. Карбюратор на любое движение воздуха в диффузоре распыляет топливо. Поэтому для кратных частот характерно переобогащение смеси из-за того, что один и тот же объем воздуха сначала движется через карбюратор из камеры сгорания к фильтру, а затем в том же такте обратно. В случае электронной системы впрыска количество топлива может быть строго отрегулировано с помощью программы управления. Также программируемый угол опережения зажигания может помочь уменьшить на этих оборотах вредное влияние обратной волны, не говоря уже об управлении теми заслонками на выхлопе, которые уже упоминались.

Требование качественного приготовления смеси на низких оборотах диктует необходимость применять сужающееся сечение в карбюраторе, известное как диффузор, что создает дополнительное сопротивление потоку на высоких оборотах. Горизонтальные сдвоенные карбюраторы Вебер, Деллерто или Солекс частично решают эту проблему, позволяя каждому цилиндру дать трубу необходимой длины с целью настройки на нужные обороты, иметь достаточно большое сечение, но с переобогащением все равно бороться не в силах.

Поступающий в цилиндры воздух должен быть тщательно очищен. Для этого существуют разного рода системы фильтрации. Особенно они актуальны для автомобилей, эксплуатируемых в условиях бездорожья. Внедорожники, гузовые, кроссовые, раллийные автомобили и другая техника нуждается в защите их силовых агрегатов от воздействия песка, пыли и других посторонних веществ. Промышленность может предложить целую гамму защитных средств.

Индукционный щит (рис. 4.13) для инжекторных систем похож на шляпу гриба и устанавливается на патрубок кислородного датчика вместо штатной коробки с плоским фильтром. Для этих фильтров есть специальные промывки, которые позволяют им восстанавливать свои свойства и возможность использования на многие сотни тысяч километров (рекомендуемая чистка фильтра после 100 000 км). После установки такого фильтра под капотом появится немного больше индукционного шума и несколько дополнительных лошадей (5 – 10 л.с. для инжекторных авто), а также прибавится крутящий момент в области средних и низких оборотов. Все это повысит эластичность двигателя и улучшит разгонную динамику.

Спортивные воздушные фильтры

Все системы фильтрации (рис. 4.14) разработаны для максимального снижения потерь на впуске, они буквально разглаживают и выпрямляют воздушный поток, что позволяет двигателю вдыхать больший объем воздуха, по сравнению с обычным фильтром.

Инженеры фирмы K&N достигли больших результатов в проектировании спортивных воздушных фильтров.

В конце 60-х фирма K&N начала пропитывать специальным маслом хлопковую марлю воздушного фильтра, которая превысила минимальные стандарты фильтрации при небольшом ограничении воздушного потока. В результате, первый фильтрующий элемент был изготовлен из нескольких слоев хирургической марли, расположенной между двумя листами проволочной сетки. Материал был спрессован, чтобы уменьшить размер фильтра и увеличивать его поверхностную область. Наконец хлопковая марля была пропитана специальным маслом, чтобы увеличить способности фильтрования. Первоначальная концепция изготовления фильтров существует и сегодня. Фильтрующий элемент с хлопковой марлей - основа такого фильтра. Он пропускает минимум на 50% больше воздуха, чем обычные штатные фильтры без снижения фильтрующей способности.

При внешнем осмотре фильтра видны большие отверстия в материале фильтра – это главная причина высокой про

Дата добавления: 2014-01-04