Игорь Скрипник
Тюнинг автомобиля своими руками
Рис. 9. Схема системы впуска с разделяемым впускным коллектором: 1 – воздухозаборник; 2 – воздушный фильтр; 3 – разделительная заслонка; 4 – впускной коллектор; 5 – блок цилиндров двигателя; 6 – выпускные коллекторы
В зависимости от конструкции и настройки впускной системы можно получить дальнейшее увеличение мощности, если при очень высокой частоте вращения, начиная с 6000 1/мин, заслонку снова закрыть. Подобная система одинаково эффективна на двигателях как с двумя, так и четырьмя клапанами на цилиндр.
Степень сжатия
Термическая эффективность и, следовательно, эффективность, с которой топливо используется для совершения полезной работы, непосредственно связана со степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем меньше топлива будет использовано для получения той же самой мощности. Типичные значения степеней сжатия от 18:1 до 22:1, используемые в дизельных двигателях, частично объясняют, почему они так эффективно работают. Вдобавок к этому, для полной реализации преимуществ этой высокой степени сжатия на дизельном двигателе никогда не используется дроссельная заслонка. Другими словами, он всасывает как можно больше воздуха, практически так же, как и бензиновый двигатель при широко открытой дроссельной заслонке. Вместо ограничения количества воздуха, поступающего в двигатель, с помощью дроссельной заслонки мощность двигателя регулируется с помощью изменения количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр. Это значит, что даже при низких уровнях мощности (когда в камеру сгорания впрыскивается очень малое количество топлива) дизельный двигатель сжимает воздух в цилиндре очень сильно; при этом выделяется столько тепла, что его достаточно для воспламенения даже очень обедненной смеси. Однако когда дросселируется двигатель с искровым зажиганием (бензиновый двигатель), то количество воздуха, втягиваемого в цилиндры, уменьшается, и так как это эффективная степень сжатия, то в результате топливная эффективность при частично закрытой дроссельной заслонке тоже уменьшается.
Нет сомнений в том, что высокая степень сжатия увеличивает мощность. Изображенная далее схема показывает, что мощность при полном открывании дроссельной заслонки теоретически улучшается при увеличении степени сжатия. Приведенные данные предполагают, что увеличение степени сжатия не создает проблем в других областях, таких как детонация и т. д. Вы заметите, что закон уменьшения приводит к довольно простому выводу: когда степень сжатия идет вверх, то при каждом увеличении прирост мощности будет все меньше. К примеру, увеличение компрессии от 8,0:1 до 9,0:1 приводит к большему увеличению мощности, чем увеличение сжатия с 11,0:1 до 12,0:1 (2 % роста мощности против 1,3 %).
Указанные значения являются типичными для двигателей, использующих распределительные валы с относительно коротким периодом впуска, подобные валам во многих форсированных двигателях. Когда продолжительность такта впуска увеличивается (путем установки распределительного вала с более длительным периодом впуска), прирост мощности от увеличения степени сжатия становится даже больше. Это происходит оттого, что данные базируются на механических степенях сжатия (т. е. определенных путем математических расчетов из фиксированного объема), а не на динамических степенях сжатия, которые продолжают увеличиваться, когда эффективность впуска увеличивается. Когда система впуска модифицируется для улучшения наполнения, то динамическая степень сжатия увеличивается очень похожим образом, как и при увеличении размера поршня, т. к. в цилиндр поступает дополнительное количество воздуха и топлива.
Эффективность впуска может продолжать увеличиваться даже до точки «упаковки» цилиндра (объемная эффективность выше 100 %), как это предполагается некоторыми комбинациями впускного и выпускного коллекторов. Максимальное давление внутри камеры сгорания перед воспламенением изменяется, когда изменяется плотность подаваемой смеси. Когда система впуска работает с низкой эффективностью, т. е. когда дроссельные заслонки закрыты или впускная система забита, то цилиндр наполняется лишь частично и динамическое давление сжатия низкое. Когда система впуска работает с высокой объемной эффективностью (значение более 100 % достигается на многих гоночных двигателях), динамическая степень сжатия может создавать давления, которые превышают давления, ожидаемые от механической (рассчитанной) степени сжатия. В таких случаях увеличение механической степени сжатия может ввести двигатель в режим детонации и уменьшить мощность и надежность двигателя.
Увеличение степени сжатия не всегда приводит к увеличению мощности. Если статическая (подсчитанная) степень сжатия уже находится около предела детонации для используемого топлива, то дальнейшее увеличение статической степени сжатия может ухудшить мощность и/или надежность двигателя. Как ранее упоминалось, это особенно справедливо, когда специальный распределительный вал и системы впуска и выпуска добиваются объемной эффективности (VE) величиной более 100 %. Когда VE увеличивается, то динамическая степень сжатия также увеличивается, так как цилиндр «упаковывается» смесью так, как если бы работал невидимый нагнетатель.
Другой эффект от увеличения степени сжатия довольно незначителен и неизвестен некоторым создателям двигателей. Когда VE превышает 100 %, поступившая смесь находится под небольшим положительным давлением, однако она может заполнить только пространство в цилиндре плюс пространство в камере сгорания. К примеру, если объем цилиндра и камеры составляет вместе 416,2 см3, то это фиксированное пространство будет в основном определять, сколько топливовоздушной смеси может попасть в цилиндр. Если мы решаем увеличить степень сжатия путем уменьшения объема камеры сгорания или путем увеличения размера выпуклости поршня (это наиболее распространенные методы), то это пространство будет не более названной величины. Да, цилиндр сохраняет постоянный рабочий объем – рабочий объем двигателя не изменялся. Но изменили общий объем цилиндра и камеры сгорания. Это означает, что пространство для поступающей рабочей смеси уменьшается. Таким образом, при увеличении степени сжатия мы почти незаметно уменьшили объемную эффективность двигателя.
Воспользуемся воображаемым примером для уяснения деталей. Представим себе двигатель со степенью сжатия 2,0:1 и, просто ради аргумента, скажем, что общий объем (нерабочий объем) одного цилиндра, когда поршень находится в НМТ (нижней мертвой точке), составляет 3278 см3. Это объем, создаваемый поршнем при одном такте плюс объем камеры сгорания над поршнем, находящимся в положении ВМП (верхней мертвой точке). Так как степень сжатия составляет 2,0:1, то объем над поршнем, находящимся в ВМТ, должен составлять половину от общего объема цилиндра или 1639 см3 (т. е. 1639 см3 «выбранного» объема плюс 1639 см3 камеры сгорания равны 3278 см3 общего объема цилиндра). Даже при 3278 см3 во всем цилиндре двигатель может втянуть только 1639 см3 свежей рабочей смеси, т. к. имеется давление в коллекторе у впускного канала (в случае с VE, равной 100 %) и только вытесненный объем поршня может работать для втягивания воздуха и топлива. Остальные 1639 см3 будут заполнены выхлопными газами от последнего цикла сгорания.
Добавим теперь к воображаемому двигателю нагнетатель (компрессор) и отрегулируем давление так, что он будет подавать 3278 см3 топливовоздушной смеси в цилиндр вместо исходных 1639 см3, которые двигатель мог «вдохнуть» в прежнем состоянии. С нашим нагнетателем в цилиндре будет находиться 3278 см3 свежей смеси в конце такта впуска и не будет остаточных выхлопных газов. Это существенно улучшит мощность. Но что произойдет, если в безрассудных поисках дополнительной мощности увеличить степень сжатия до 3,0:1, уменьшив объем камеры сгорания над поршнем в ВМТ с 1639 см3 до 1092 см3? Когда поршень находится в конце такта впуска, общий объем цилиндра будет теперь только 2731 см3. Если не изменять давление наддува, то оно может «вдавить» только 2731 см3 топливовоздушной смеси в цилиндр. Это уменьшит объем смеси на 547 см3, или примерно на 17 %. Двигатель втягивает менее воспламененную смесь, объемная эффективность уменьшается (на 17 %), и мощность снижается. Справедливо то, что 2731 см3 подаваемой смеси сгорает с более высокой эффективностью благодаря увеличению степени сжатия, но улучшение степени сжатия покрывает только 5 из 17 % потерь мощности.
Многие могут теперь реализовать важные преимущества, получая максимально возможную VE (объемную эффективность). Чем выше VE, которую вы сможете получить, тем ниже будет требуемая степень сжатия. А чем ниже степень сжатия, тем меньше выступ поршня, тем легче фронту пламени распространяться в объеме камеры сгорания. Эти соотношения являются некоторыми из тех методов, которые используют профессионалы для увеличения мощности двигателей.
Верхние пределы степени сжатия и фазы газораспределения распределительного вала достаточно хорошо определены для гоночных двигателей, «обычные» форсированные двигатели для повседневного использования, как правило, работают при более низких уровнях мощности и в основном при частично открытой дроссельной заслонке. Увеличение степени сжатия может иногда обеспечить заметный прирост мощности, но это же самое увеличение степени сжатия может дать даже большее улучшение топливной экономичности. При увеличении степени сжатия от 8,0:1 до 10,0:1 мощность при полностью открытой дроссельной заслонке может увеличиться на 3 или 4 %. Но экономия топлива при частично закрытой дроссельной заслонке может увеличиться более чем на 15 %. В этом нет ничего удивительного, если вы помните, что динамическая степень сжатия при частично открытой дроссельной заслонке заметно ниже, чем статическая степень сжатия. Увеличение статической степени сжатия добавляет эффективности в нужном месте: при частично открытой дроссельной заслонке.
Более высокая степень сжатия, конечно, требует использования высокооктанового топлива, и часто имеющееся топливо имеет гораздо меньшее октановое число, чем хотелось бы многим. Имеются несколько путей обойти данную проблему. Если вы изготавливаете двигатель с «нуля» и желаете сберечь время, обратившись к инженеру с опытом изготовления форсированных двигателей, то можете получить рекомендации по увеличению степени сжатия, приводящему к заметному росту мощности двигателя. В некоторых случаях двигатели со степенью сжатия порядка 11:1 успешно использовали бензин с октановым числом 87, но это требует подбора всех деталей двигателя, особенно конструкции распределительного вала и головки блока цилиндров плюс использование системы впрыска воды.
Если вы выберете метод изготовления с «нуля», одним из самых легких путей увеличения степени сжатия является использование традиционных поршней для высокой степени сжатия, имеющих минимальную высоту куполообразной части, так что нет сильных помех распространению пламени. Если желаемая степень сжатия не может быть достигнута путем плавного увеличения куполообразной части и уменьшением объема камеры сгорания с помощью обработки головки блока (лучше угловая обработка), то лучшим путем для увеличения степени сжатия будет увеличение диаметра отверстия цилиндра, часто с помощью расточки блока. Выдерживая практические пределы для толщины стенок цилиндров (обычно допускается увеличение диаметра отверстия цилиндра не более чем на 0,75-1,0 мм), эта модификация может увеличить степень сжатия путем добавления рабочего объема, что уменьшает необходимость больших «куполов «у поршней или камер сгорания меньшего объема.
Если проект вашего двигателя более «умеренный», то, возможно, будет достаточно обработки головки блока (а стоимость обработки головки является одной из самых дешевых операций по увеличению мощности и экономичности двигателя).
Термическая эффективность и методы ее повышения
Сгорание топлива в камере сгорания двигателя генерирует тепло, которое расширяет продукты сгорания и «толкает» поршни вниз, в отверстие цилиндра. Если тепло отводится от расширяющейся смеси перед тем, как она сможет полностью воздействовать на поршень, потенциальная мощность будет потеряна. Если можно было бы построить идеальный двигатель, то он использовал бы тепло сгорания для расширения рабочей смеси, и ничего бы не терялось из-за рассеяния тепла окружающими металлическими поверхностями. При этих условиях двигатель будет иметь максимальную термическую эффективность, а его выходная мощность будет почти в два раза больше, чем у обычного форсированного двигателя. Представьте себе: двигатель V8 рабочим объемом 4916 см3 с одним четырехкамерным карбюратором выдает мощность почти 800 л. с.! К сожалению, практически невозможно добиться термической эффективности, близкой к 100 %. Одной из целей проекта любого двигателя должна быть максимальная термическая эффективность, т. к. она контролирует то, как двигатель преобразует энергию топлива в полезную мощность.
Имеется много путей улучшения термической эффективности. Некоторые являются незначительными и требуют серьезных исследований для их обнаружения, другие же являются очевидными.
Тепловые характеристики металла, подвергаемого воздействию горящей топливовоздушной смеси, в первую очередь в головке блока цилиндров, являются одним из путей. Алюминиевые головки блока являются более эффективными проводниками тепла, чем чугун, а мощность может быть заметно снижена из-за потерь тепла в водяной рубашке. Но, с другой стороны, алюминиевая головка «страдает» от некоторых разогретых мест в камере сгорания и обычно имеет более низкие температуры поверхности. Эти последние факторы позволяют достичь более высокой степени сжатия при использовании алюминия и уменьшают чувствительность к детонации. Для двигателей с низкой степенью сжатия чугун является лучшей основой из-за его улучшенной тепловой эффективности.
Теплопроводность алюминия и чугуна может быть существенно уменьшена путем использования относительно новой технологии для автомобильной индустрии: покрытия из тепловых барьеров. Эти высокотехнологичные изолирующие материалы с толщиной порядка 0,4 мм могут серьезно уменьшить теплопроводность. Их использование в последние годы стало достаточно распространенным, и, без сомнения, они работают.
Степень прироста мощности от использования покрытий из тепловых барьеров зависит от конструкции головки, размера камеры сгорания и от материала головки (как уже говорилось, алюминий имеет лучшую теплопроводность и может получить больше преимуществ от изолирующих покрытий). Вообще говоря, обычным является прирост мощности порядка 3 %. Также и прирост в экономии топлива при «полном дросселе» часто составляет около 3 % с возможно большими улучшениями в экономичности при работе с частично открытой дроссельной заслонкой. Как было отмечено, изолирующие покрытия на поршнях могут также улучшить термическую (тепловую) эффективность примерно на 4–8%.
Таким образом, покрытие поршней и камер сгорания может улучшить мощность примерно на 10 %.
Повышение мощности двигателя
Выявить резервы форсирования двигателя можно с привлечением формулы для расчета эффективной мощности, кВт:
Pe = PmeVs i n /(30t),
где Pme – среднее эффективное давление, МПа;
Vs – рабочий объем цилиндра, дм3;
i – количество цилиндров двигателя;
n – частота вращения KB, 1/мин;
t – тактность двигателя (для двухтактных двигателей t = 2, а для четырехтактных t =4).
В. Н. Степанов считает, что, учитывая высокооборотность современных автомобильных двигателей, можно утверждать, что дальнейшее форсирование их путем повышения частоты вращения KB является малоперспективным.
Основания для такого вывода следующие. Во-первых, при возрастании n неизбежно повышаются потери на трение в подшипниках и в сопряжении поршней с цилиндровыми втулками, растут потери на осуществление насосных ходов и т. п., что ведет к уменьшению механического КПД nm 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.
Из приведенной формулы видно, что повысить мощность можно также как за счет увеличения рабочего объема цилиндра 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 KB на новый, так и путем эксцентричного обтачивания, например, шатунных шеек на уменьшенный диаметр. Немаловажным здесь является и то обстоятельство, что замена KB на новый, с увеличенным радиусом вращения кривошипа, сопровождается некоторым увеличением массы двигателя.
Поскольку Vs = рD2S/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. Наиболее действенным способом увеличения Pme 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.
Рассмотрим некоторые результаты увеличения рабочего объема двигателя, устанавливаемого на наиболее популярные модели автомобилей ВАЗ.
Увеличение хода поршня с 71 мм до 74,8 мм путем замены KB на новый, с противовесами на всех щеках, и доработка клиновидной камеры сгорания двигателя ВАЗ-21083 позволяют увеличить его рабочий объем с 1500 см3 до 1600 см3. Заметим, что наличие противовесов на всех щеках KB позволяет разгрузить коренные подшипники двигателя от действия центробежных сил инерции неуравновешенных вращающихся масс и тем самым увеличить срок их службы. Чтобы сохранить неизменной степень сжатия, имеющийся комплект поршней или дорабатывается, или заменяется на новый. Одновременно несколько увеличивается объем камеры сгорания в головке цилиндров. При доработке днище поршней обтачивается, в результате чего высота головки поршня уменьшается на 1,5 мм. Утопание поршней при положении их в ВМТ относительно торца блока цилиндров не должно превышать 0,1 мм.
При увеличении частоты вращения KB с 5550 1/мин до 5800 1/мин мощность двигателя возрастает с 52,3 кВт (71 л. с.) до 62,6 кВт (85 л. с.). Максимальный крутящий момент двигателя в диапазоне средних и низких частот вращения KB увеличивается на 10 %. В результате выполненного тюнинга коэффициент приспособляемости уменьшается со значения k =1,18 до k =1,15. Полученные результаты достигаются при соответствующей настройке и регулировке систем питания и зажигания двигателя. У двигателя с системой впрыскивания производится, кроме того, замена программы управления.
Для придания двигателю ВАЗ-21083 «спортивного характера», при котором сохраняются названные выше преимущества в диапазоне средних и низких частот вращения KB, а мощность повышается до 69,9 кВт (95 л. с.) при 6200 1/мин с сохранением «эластичности» во всем диапазоне нагрузок – настройка «спорт», в дополнение к уже перечисленным мероприятиям В. Н. Степанов предлагает провести следующие работы. Имеющиеся поршни заменяются на «спортивные», изготовленные методом ковки, с эксцентричным расположением отверстия под поршневой палец. Стандартный распределительный вал заменяется на новый, обеспечивающий ход клапанов 10,26 мм. Клапаны регулируются на новую базу распределительного вала. Для тонкой настройки фаз газораспределения на распределительный вал устанавливается разрезная шестерня, зубчатый венец которой можно перемещать относительно ступицы. Впускные и выпускные каналы головки цилиндров спрямляются и увеличиваются в сечении, после чего подвергаются полированию. Контуры фланцев впускных и выпускных каналов в головке цилиндров и обоих коллекторов обрабатываются по шаблону, после чего их центрирование производится посредством штифтов. Для улучшения теплоотвода от клапанов их чугунные направляющие в головке цилиндров заменяются на бронзовые. Для уменьшения сопротивления на впуске-выпуске радиус перехода от стержня клапана к его головке уменьшается.
Тюнинг двигателя ВАЗ-21083 в указанном объеме еще не позволяет раскрыть полностью его имеющийся потенциал. При наличии системы впрыскивания мощность двигателя может быть доведена до 81 кВт (110 л. с.). Справедливости ради следует отметить, что при этом не удается сохранить «эластичность» работы двигателя во всем диапазоне нагрузок – до частоты вращения 2500 1/мин наблюдаются «провалы». Однако такой двигатель может доставить настоящее удовольствие любителям спортивной езды. Для получения указанной мощности тюнинг двигателя включает следующие дополнительные мероприятия: установка впускного коллектора объемом 3 л, стандартный распределительный вал заменяется на новый, обеспечивающий ход клапанов 11,2 мм.
При выполнении всех этих мероприятий удается устранить ряд недостатков, заложенных в двигатель на стадии производства, и при сохранении его ресурса и ремонтопригодности существенно увеличить мощность за счет внесения конструктивных изменений, разработанных для двигателей спортивных автомобилей.
