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. П ри 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.

З ависимость 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.

Б ольшая 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 р аспределения 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.

К омпрессор 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.

П ри 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 н а 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 ф ильтра 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 б уквально 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 пропускной способности потока воздуха. Фильтр выполнен слоями из хирургической хлопковой марли с масляной пропиткой, зажатой между алюминиевой сеткой.

Специальный масляный состав, находящийся в хлопковой марле, не ограничивает пропускную способность и в то же время обеспечивает качественную фильтрацию воздушного потока. Это основа уникальной системы фильтрации! Частицы пыли в воздушном потоке, притянутые к фильтру, имеют отрицательный заряд и, проходя через фильтрующий элемент (подобно действию магнита), притягиваются и присоединяются к пропитанной хлопковой марле имеющей положительный заряд.

При большом скоплении задержанных частиц на внешней стороне фильтра отверстия в марлевой ткани остаются открытым. Этот внешний уровень пыли и песка становится вторичным элементом фильтрации входящих частиц и при этом обеспечивается высокая пропускная способность. Этот простой, но очень эффективный вторичный фильтр – основа длинной службы фильтра, во многих случаях до 10 раз дольше, чем обычный фильтр. 100000 миль фильтра не требуют обслуживания и это норма. Очистка проводится по пробегу или если накопленный слой загрязнения составляет 2 – 3 мм. Смазанные хлопковые фильтры, используемые в K&N функционируют совершенно иначе, чем штатная воздушная система. В производстве фильтров K&N применяются доказанные научные принципы, которые определяют, как воздушный фильтр удаляет частицы грязи от воздушного течения. Первый из этих принципов известен как перехват, который применяется к частицам грязи, путешествующим с воздушным течением. Воздушный поток будет всегда находить самую короткую дорожку, и, поскольку воздух проходит через волокна фильтра, некоторые из частиц войдут в контакт с волокнами и будут захвачены. Эти частицы будут удерживаться в волокнах фильтрующего элемента за счет применения специальной пропитки.

Другой принцип известен как impaction, который главным образом воздействует на большие или более тяжелые частицы грязи. Impaction – это когда инерция или импульс заставляют частицу отклониться от общего воздушного потока. Другими словами, тяжелые частицы не следуют за воздушным течением мимо волокон фильтра, а вместо этого они попадают прямо в волокна.

Н аиболее важный принцип для разработки фильтра K&N – это законы физики, которые управляют движением очень маленьких частиц грязи. На маленькие частицы воздействуют силы в воздушном течении. Например, силы скоростных изменений; изменений давления; буря, вызванная другими частицами и взаимодействием с воздушными молекулами – заставляют очень маленькие частицы двигаться случайно и хаотично, вопреки основному воздушному потоку, как результат – эти частицы не следуют за воздушным течением, и их беспорядочное движение заставляет сталкиваться с волокнами фильтра.

Спортивные воздушные фильтры, требования к которым при производстве очень высоки, кроме максимальной защиты двигателя от попадания в него мельчайших частиц, песка и пыли, дают преимущество в мощности и динамике, а так же возможность сделать ваш автомобиль непохожий на другие. Качественная подача воздуха повышает мощность и улучшает приемистость двигателя. Некоторые модели имеют тепловой экран для изоляции фильтра от моторного отсека. Нейлоновые трубки рассеивают тепло и делают подаваемый воздух более холодным. Важный фактор – при установке спортивных фильтров не требуется перепрограммирование блока управления.

Важным обстоятельством для понимания функций выпускной системы является связь вращающего момента с коэффициентом наполнения цилиндра. Предположим, коленчатый вал двигателя вращается настолько медленно, что в любой момент времени давление во впускном трубопроводе и цилиндре успевает выравниваться. Предположим, что в верхней мертвой точке (ВМТ) давление в камере сгорания равно атмосферному. Тогда при движении поршня из ВМТ в нижнюю мертвую точку (НМТ) в цилиндр попадет количество свежей топливовоздушной смеси, точно равное объему цилиндра. В таком случае коэффициент наполнения равен единице. Предположим, что впускной клапан закрыт в положении поршня, соответствующем 80% его хода. Тогда наполнение цилиндра составит 80% его объема, и масса заряда составит соответственно 80%. Коэффициент наполнения в таком случае будет 0,8.

Если во впускном коллекторе давление на 20% выше атмосферного, то в фазе впуска наполнение цилиндра 120% по массе заряда, что будет соответствовать коэффициенту наполнения 1,2.

Вращающий момент двигателя совершенно точно на кривой момента соответствует коэффициенту наполнения цилиндра. То есть вращающий момент там выше, где коэффициент наполнения выше, и ровно во столько же раз, если не учитывать внутренние потери в двигателе, которые растут со скоростью вращения. Таким образом, кривую момента и, соответственно, кривую мощности определяет зависимость коэффициента наполнения от оборотов. Можно влиять в некоторых пределах на зависимость коэффициента наполнения от скорости вращения двигателя с помощью изменения фаз газораспределения. В общем случае можно сказать, что чем шире фазы и чем в более раннюю по отношению к коленчатому валу область мы их сдвигаем, тем на больших оборотах будет достигнут максимум вращающего момента. Абсолютное значение максимального момента при этом будет немного меньше, чем с более узкими фазами.

Существенное значение имеет так называемая фаза перекрытия. При высокой скорости вращения определенное влияние оказывает инерция газов в двигателе. Для лучшего наполнения в конце фазы выпуска выпускной клапан надо закрывать несколько позже ВМТ, а впускной открывать намного раньше ВМТ. Тогда у двигателя появляется состояние, когда в районе ВМТ при минимальном объеме над поршнем оба клапана открыты и впускной коллектор сообщается с выпускным через камеру сгорания.

В выпускной системе присутствует три процесса. Первый – сдемпфированное в той или иной степени истечение газов по трубам. Второй – гашение акустических волн с целью уменьшения шума. И третий – распространение ударных волн в газовой среде. Любой из названных процессов рассматривается с позиции его влияния на коэффициент наполнения, изменения давления в коллекторе у выпускного клапана в момент его открытия. Так как чем меньшее давление, а лучше даже ниже атмосферного, тем больше будет перепад давления от впускного коллектора к выпускному, тем больший заряд получит цилиндр в фазе впуска.

Выпускная труба служит для отвода выхлопных газов за пределы кузова автомобиля, и сопротивление противодавления должно быть минимальным, и в момент открытия выпускного клапана давление в коллекторе не должно противодействовать очистке цилиндра. В противном случае, коэффициент наполнения упадет, так как оставшееся большое количество отработанных газов не позволит наполнить цилиндры достаточным количеством свежей смеси. Соответственно, двигатель не сможет вырабатывать прежний вращающий момент. Размеры трубы и конструкция глушителей шума в серийном автомобиле достаточно хорошо соответствуют количеству отработанных газов, вырабатываемых двигателем в единицу времени. Как только серийный двигатель подвергся изменениям с целью увеличения мощности (будь то увеличение рабочего объема или увеличение момента на высоких оборотах), сразу увеличивается расход газа через выпускную трубу и следует оценить значение избыточного сопротивления выпускной системы и достаточность размеров труб. После некоторого разумного размера увеличивать сечение труб для конкретного двигателя бессмысленно, улучшения не будет. Из практики можно сказать, что для двигателя объемом 1600 куб.см, имеющего хороший вращающий момент до 8000 об./мин., вполне достаточно трубы диаметром 52 мм.

Глушитель шума создает сопротивление потоку, в большинстве классов спортивных автомобилей шум выпуска ограничен уровнем 100 дб. Выбор глушителя – всегда компромисс между его способностью поглощать звук и низким сопротивлением потоку.

Задача глушителя состоит в том, чтобы энергию колебаний, акустических волн, которые несут в себе энергию, возбуждающую наш слух, перевести в тепловую.

По способу работы глушители разделяются на четыре группы. Это ограничители, отражатели, резонаторы и поглотители.

В корпусе глушителя имеется существенное заужение диаметра трубы, некое акустическое сопротивление, а за ним сразу большой объем, аналог емкости. Продавливая через сопротивление звук, колебания сглаживаются объемом. Энергия рассеивается в дросселе, нагревая газ. Чем больше сопротивление (меньше отверстие), тем эффективней сглаживание. Но тем больше сопротивление потоку. Применяется в качестве предварительного глушителя в системе.

В корпусе глушителя организуется большое количество акустических зеркал, от которых звуковые волны отражаются. Известно, что при каждом отражении часть энергии теряется, тратится на н агрев зеркала. Если устроить для звука целый лабиринт из зеркал, то почти вся энергия рассеивается и наружу выйдет весьма ослабленный звук. По такому принципу строятся пистолетные глушители. Значительно лучшая конструкция, однако так как в недрах корпуса газовый поток меняет направление, создается некоторое сопротивление выхлопным газам. Такая конструкция чаще всего применяется в оконечных глушителях стандартных систем.

Глушители резонаторного типа используют замкнутые полости, р асположенные рядом с трубопроводом и соединенные с ним рядом отверстий. Часто в одном корпусе бывает два неравных объема, разделенных глухой перегородкой. Каждое отверстие вместе с замкнутой полостью является резонатором, возбуждающим колебания собственной частоты. Условия распространения резонансной частоты резко меняются, и она эффективно гасится вследствие трения частиц газа в отверстии. Такие глушители эффективно в малых размерах гасят низкие частоты и применяются в основном в качестве предварительных, первых в выпускных системах. Существенного сопротивления потоку не оказывают, т.к. сечение не уменьшают.

Способ работы поглотителей заключается в поглощении акустических волн неким пористым материалом. Если звук направить, например, в стекловату, то он вызовет колебания волокон ваты и трение волокон друг о друга. Таким образом, звуковые колебания будут преобразованы в тепло. Поглотители позволяют построить конструкцию глушителя без уменьшения сечения трубопровода и даже без изгибов, окружив трубу с прорезанными в ней отверстиями слоем поглощающего материала. Такой глушитель будет иметь минимально возможное сопротивление потоку, однако и хуже всего снижает шум.

В большинстве случаев используются различные комбинации всех приведенных способов. Глушителей в системе бывает два, а иногда и больше.

Тюнинг глушителя позволяет добиться "благородного" звучания двигателя. Для достижения этой цели больше подходит глушитель поглотительного типа. Его объем, количество набивки, а также сама набивка определяют спектр частот, интенсивно поглощаемых. Практически любая мягкая набивка поглощает в большей степени высокочастотную составляющую, придавая бархатистость звуку. Глушители резонаторного типа гасят низкие частоты. Таким образом, варьируя размеры, содержимое и набор элементов, можно подобрать тембр звучания.

Коэффициент наполнения, вращающий момент и мощность зависят от перепада давления между впускным и выпускным коллекторами в фазе продувки. Выпускную систему нужно построить таким образом, что распространяющиеся в трубах ударные волны, отражаясь от различных элементов системы, будут возвращаться к выпускному клапану в виде скачка давления или разрежения. В силу инерции газов за скачком давления всегда следует фронт разрежения, который должен быть в нужном месте – выпускной клапан, и в нужное время.

Действия фронта весьма незначительно, а время открытия выпускного клапана, когда фронт разрежения может создать полезную работу, сильно зависит от скорости вращения двигателя. Весь период фазы выпуска можно разбить на две составляющие. Первая – когда клапан только что открылся. Эта часть характеризуется большим перепадом давления и активным истечением газов в выпускной коллектор, на которое волна разрежения окажет незначительное влияние. В конец выпуска давление в цилиндре уже упало почти до атмосферного. Поршень находится около ВМТ, значит, объем над поршнем минимален, впускной клапан уже приоткрыт. Такое состояние (фаза перекрытия) характеризуется тем, что впускной коллектор через камеру сгорания сообщается с выпускным. Если фронт разрежения достигнет выпускного клапана, то существенно улучшается коэффициент наполнения, так как даже за короткое время действия фронта удастся продуть маленький объем камеры сгорания и создать разрежение, которое поможет разгону топливовоздушной смеси в канале впускного коллектора.

Если все отработанные газы покинут цилиндр, а разрежение достигнет своего максимального значения, выпускной клапан закроется, то в фазе впуска будет получен заряд больший, чем если бы очистили цилиндр только до атмосферного давления. Этот процесс дозарядки цилиндров с помощью ударных волн в выпускных трубах может позволить получить высокий коэффициент наполнения и, как следствие, дополнительную мощность. Результат его действия примерно такой же, как и при применении компрессора.

П ервое необходимое условие дозарядки цилиндров с помощью ударных волн – это существование достаточно широкой фазы перекрытия, интервал времени, когда оба клапана открыты. При постоянной фазе с увеличением скорости вращения время уменьшается, то есть при настройке выпускной системы на определенные обороты одним из варьируемых параметров будет ширина фазы перекрытия. Чем выше обороты настройки, тем шире нужна фаза. Из практики можно сказать, что фаза перекрытия менее 70 градусов не позволит иметь заметный эффект, а значение для настроенных на обычные 6000 об/мин систем составляет 80 – 90 градусов.

Вторым условием является необходимость вернуть ударную волну к выпускному клапану. Причем в многоцилиндровых двигателях вовсе необязательно возвращать ее в тот цилиндр, который ее сгенерировал. Более того, выгодно возвращать ее, а точнее, использовать в следующем по порядку работы цилиндре. Так как распространение ударных волн в выпускных трубах происходит со скоростью звука, то для возвращения ударной волны к выпускному клапану того же цилиндра, например, на скорости вращения 6000 об/мин, надо расположить отражатель на р асстоянии примерно 3,3 метра. Путь, который пройдет ударная волна за время двух оборотов коленчатого вала при этой частоте, составляет 6,6 метра. Это путь до отражателя и обратно. Отражателем может служить, например, резкое многократное увеличение площади трубы. Лучший вариант – срез трубы в атмосферу. Или, наоборот, уменьшение сечения в виде конуса, сопла Лаваля или, совсем грубо, в виде шайбы, однако это увеличивает сопротивление потоку. Таким образом, настроенная на 6000 об/мин выпускная система предполагаемой конструкции для, например, четырехцилиндрового двигателя будет выглядеть как четыре трубы, отходящие от выпускных окон каждого цилиндра, желательно прямые, длиной 3,3 метра каждая. У такой конструкции есть целый ряд существенных недостатков. Во-первых, маловероятно, что под кузовом, например, Гольфа длиной 4 метра или даже Ауди А6 длиной 4,8 метра возможно разместить такую систему. Опять же, глушитель все-таки нужен. Тогда нужно концы четырех труб ввести в расширитель достаточно большого объема, с близкими к открытой атмосфере акустическими характеристиками. Из этого расширителя надо вывести газоотводную трубу, которую необходимо оснастить глушителем.

Такого типа система для автомобиля не подходит. Применяется она на двухтактных четырехцилиндровых мотоциклетных двигателях для кольцевых гонок. Для двухтактного двигателя, работающего на частоте выше 12 000 об/мин, длина труб сокращается более чем в четыре раза и составляет примерно 0,7 метра, что вполне разумно даже для мотоцикла.

Сократить геометрические размеры выпускной системы, настроенной на те же 6000 об/мин, вполне можно, если использовать ударную волну следующим по порядку работы цилиндром. Фаза выпуска в нем наступит для трехцилиндрового мотора через 240 градусов поворота коленчатого вала, для четырехцилиндрового – через 180 градусов, для шестицилиндрового – через 120 и для восьмицилиндрового – через 90. Соответственно, интервал времени, а следовательно, и длина отводящей от выпускного окна трубы пропорционально уменьшается и для, например, четырехцилиндрового двигателя сократится в четыре раза, что составит 0,82 метра. Стандартное в таком случае решение – всем известный "паук". Четыре так называемые первичные трубы, отводящие газы от цилиндров, плавно изгибаясь и приближаясь друг к другу под небольшим углом, соединяются в одну вторичную трубу, имеющую площадь сечения в два-три раза больше, чем одна первичная. Длина от выпускных клапанов до места соединения для 6000 об/мин примерно 820 мм. Работа такого "паука" состоит в том, что следующий за ударной волной скачок разрежения, достигая места соединения всех труб, начинает распространяться в обратном направлении в остальные три трубы. В следующем по порядку работы цилиндре в фазе выпуска скачок разрежения выполнит нужную работу.

Существенное влияние на работу выпускной системы оказывает также длина вторичной трубы. Если конец вторичной трубы выпущен в атмосферу, то импульсы атмосферного давления будут распространяться во вторичной трубе навстречу импульсам, сгенерированным двигателем. Суть настройки длины вторичной трубы состоит в том, чтобы избежать одновременного появления в месте соединения труб импульса разрежения и обратного импульса атмосферного давления. На практике длина вторичной трубы слегка отличается от длины первичных труб. Для систем, которые будут иметь дальше глушитель, на конце вторичной трубы необходимо разместить максимального объема и максимальной площади сечения емкость с поглощающим покрытием внутри. Эта емкость должна как можно лучше воспроизводить акустические характеристики бесконечной величины воздушного пространства. Следующие за этой емкостью элементы выпускной системы, т.е. трубы и глушители, не оказывают никакого воздействия на резонансные свойства выпускной системы. Чем ниже избыточное давление они обеспечат, тем лучше.

Наиболее часто встречается в тюнинговых автомобилях варианте "два в один - два в один" или "два Y", так как легко компонуется в стандартные кузова и не слишком сильно отличается по размерам и форме от стандартного выпуска. Сначала трубы соединяются попарно от первого и четвертого цилиндров в одну и второго и третьего в одну как цилиндров, равноотстоящих друг от друга на 180 градусов по коленчатому валу. Две образовавшиеся трубы также соединяются в одну на расстоянии, соответствующем частоте резонанса. Расстояние измеряется от клапана по средней линии трубы. Попарно соединяющиеся первичные трубы должны соединяться на расстоянии, составляющем треть общей длины. В некоторых случаях стандартный выпускной коллектор со стандартной приемной трубой работает абсолютно так же. Сравним упомянутые три конструкции.

Настроенный выпуск – это колебательная система, использующая резонансные свойства, ее количественная характеристика – добротность. Добротность показывает, во сколько раз амплитуда колебаний на частоте настройки больше, чем вдали от нее. Чем она выше, тем больший перепад давления можно использовать, тем лучше наполнение цилиндров и, соответственно, прибавка момента. Так как добротность – энергетическая характеристика, то она неразрывно связана с шириной резонансной зоны. Необходимо отметить, что если получается большой выигрыш по моменту, то только в узком диапазоне оборотов для высокодобротной системы. И наоборот, если диапазон оборотов, в котором достигается улучшение, велик, то по величине выигрыш незначительный, это низкодобротная система.

Так как вращающий момент пропорционален перепаду давления, то наибольший прирост дает высокодобротная система номер один. Однако в узком диапазоне оборотов. Настроенный двигатель с такой системой будет иметь ярко выраженный "подхват" в зоне резонанса. И совершенно никакой на других оборотах. Так называемый однорежимный или "самолетный" мотор. Такой двигатель, скорее всего, потребует многоступенчатую трансмиссию. Реально такие системы в автомобилях не применяются.

Система второго типа имеет более "сглаженный" характер, используется в основном для кольцевых гонок. Рабочий диапазон оборотов гораздо шире, провалы меньше. Но и прирост момента меньше. Таким образом, если главное - высокая скорость при движении, то под такой режим будет подстроена и трансмиссия и пилот освоит способы управления.

Система третьего типа еще ровнее. Диапазон рабочих оборотов достаточно широкий. В результате еще меньшая добавка момента, которую можно получить при правильной настройке. Такие системы используются для ралли, в тюнинге для дорожных автомобилей. То есть для тех автомобилей, которые ездят с частой сменой режимов движения, для которых важен ровный вращающий момент в широком диапазоне оборотов.

Общий недостаток таких систем проявляется в том, что на вдвое меньших от резонансной частоты оборотах фаза отраженной волны повернется на 180 градусов, и вместо скачка разрежения в фазе перекрытия к выпускному клапану будет приходить волна давления, которая будет препятствовать продувке, то есть сделает желаемую работу наоборот. В результате на вдвое меньших оборотах будет провал момента, причем чем большую добавку мы получим вверху, тем больше потеряем внизу. И никакими настройками системы управления двигателем невозможно скомпенсировать эту потерю. Останется только мириться с этим фактом и эксплуатировать мотор в том диапазоне, который можно признать.

Однако есть несколько способов борьбы с этим явлением. Один из них – электронноуправляемые заслонки около выходных отверстий в головке. На низкой кратной частоте заслонка перегораживает частично выхлопной канал, препятствуя распространению ударных волн и тем самым разрушая ставший вредоносным резонанс, во много раз уменьшая добротность. Уменьшение сечения из-за прикрытых заслонок на низких оборотах не столь важно, так как генерируется небольшое количество выхлопных газов.

Второй способ – применение так называемых коллекторов AR. Их работа состоит в том, что они оказывают небольшое сопротивление потоку, когда давление в коллекторе меньше, чем у клапана, и увеличивают сопротивление, когда ситуация обратная. Третий способ – несовпадение отверстий в головке и коллекторе. Отверстие в коллекторе большего размера, чем в головке, совпадающее по верхней кромке с отверстием в головке и не совпадающее примерно на 1 – 2 мм по нижней кромке. Суть та же, что и в случае с AR конусом. Несовпадение отверстий – стандартное простое решение для многих серийных двигателей, которое почему-то многие считают дефектом поточного производства.

Недостаток системы проявляется в случаях, если выпуск настроен на резонансную частоту, например 4000 об/ мин. на частоте 8000 об/мин получается «провал».

При рассмотрении работы настроенного выпуска необходимо учитывать требования к его конструкции с точки зрения акустических свойств. Первое и самое важное – в системе не должно быть других отражающих элементов, которые породят дополнительные резонансные частоты, рассеивающие энергию ударной волны по спектру. Это значит, что внутри труб должны отсутствовать резкие изменения площади сечения, выступающие внутрь углы и элементы соединения. Радиусы изгиба должны быть настолько большими, насколько позволяет компоновка двигателя в автомобиле. Все расстояния по средней линии трубы от клапана до места соединения должны быть по возможности одинаковыми.

Второе важное обстоятельство состоит в том, что ударная волна несет в себе энергию. Чем выше энергия, тем большую полезную работу можно от нее получить. Мерой энергии газа является температура. Поэтому все трубы до места их соединения лучше теплоизолировать. Обычно трубы обматывают теплостойким, как правило, асбестовым материалом и закрепляют его на трубе с помощью бандажей или стальной проволоки.

При настройке выпускных систем необходимо "вооружиться" измерительными инструментами. На динамометрическом стенде необходимо измерять, прямым или косвенным методом, как минимум два параметра – вращающий момент и обороты двигателя. Для подготовленного к испытаниям агрегата изготавливают экспериментальную выпускную систему. Экспериментальная система должна быть удобной и максимально гибкой для изменения ее состава и длин труб. В этих целях используют различного рода телескопические вставки, позволяющие менять длины элементов в разумных пределах.

Настройку системы лучше всего применять для получения прироста момента на том участке моментной кривой, где коэффициент наполнения, а следовательно, и момент начинают существенно падать из-за высокой скорости вращения, т.е. мощность перестанет расти. Тогда небольшое приращение момента даст существенный выигрыш в мощности (рис. 3) . Для того чтобы узнать эту частоту, необходимо как минимум иметь моментную кривую двигателя с ненастроенным выхлопом, т.е., например, со стандартным коллектором, открытым в атмосферу. Затем, когда станет известна частота настройки, нагружаем двигатель так, чтобы обороты стабилизировались в нужной точке кривой при на 100% открытом дросселе.

Далее экспериментируют с различными приемными трубами. Цель – подобрать такую приемную трубу или "паук", а точнее ее длину, чтобы получить прирост момента на нужной частоте. При попадании в нужную точку динамометр сразу отзовется увеличением измеряемой силы. Быстрее всего результат будет получен, если использовать телескопические трубы и менять длину на работающем и нагруженном двигателе. После того как будет найдена конфигурация "паука", можно приступать к настройке вторичной трубы аналогичным образом. Далее на автомобиль устанавливают остальные элементы и убеждаются, что настройки сохранились или существенно не ухудшились.

Есть еще один прием, позволяющий повысить эффективность выпускной системы. Применяется он в основном в тюнинге, так как при определенных эстетических наклонностях конструктора позволяет создать броский внешний вид автомобиля, когда из-под заднего бампера чуть ли не до крыши подняты выпускные трубы. Идея такой конструкции состоит в том, что при движении за задним срезом автомобиля создается "воздушный мешок", или зона разрежения. Если найти то место, где разрежение максимально, и конец выхлопной трубы поместить в эту точку, то уровень статического давления внутри выпускной системы понизится. Соответственно статический уровень давления у выпускного клапана упадет на ту же величину, а коэффициент наполнения повышается.

Чип-тюнинг

В среде любителей тюнинга чип-тюнинг является неким божеством, благодаря которому без каких-либо конструктивных изменений двигатель получает весомую прибавку в мощности. Даже маститым настройщикам, строящим спортивные моторы, иногда сложно понять, как с двух литрового мотора, изменив только программу управления, можно снять дополнительные 20 л.с.

Чип-тюнинг улучшает динамические характеристики, быстрй азгон автомобиля с места, повышенную максимальную скорость, комфорт вождения.

Основная идея чип-тюнинга двигателей автомобилей заключается в изменении параметров контроллера управления двигателем, чтобы в результате повысить динамические характеристики машины.

Штатная программа, которую устанавливают производители на автомобиль, учитывает многие параметры и их отклонение от нормы, такие как: качество топлива, состояние свечей зажигания, загрязненность инжекторов. Эта программа подходит для многих автовладельцев, активно эксплуатирующих свою машину и занимающихся ее обслуживанием от случая к случаю.

С помощью чип-тюнинга можно уменьшить: токсичность, расход топлива. Наибольший интерес представляют, конечно же, динамические характеристики. Крутящий момент и мощность можно увеличить, используя программу, которая делается для конкретного автомобиля. В этом случае учитывается ряд индивидуальных особенностей автомобиля: пробег, износ, тип коробки передач, даже географический регион и климатические условия. Увеличение мощности и крутящего момента подразумевает, как правило, использование наилучшего топлива А98. Конструктивных изменений не предусмотрено. Все опирается на возможности электронного управления. Эти мероприятия не сказываются на увеличении износа деталей автомобиля.

Программа управления двигателем современного автомобиля содержится в памяти чипа (называемого интегральной схемой), являющегося принадлежностью материнской платы бортового компьютера (блока электронного управления). В свою очередь, интегральная схема содержит в себе большое количество малых микросхем, обладающих собственной памятью. Программируемая память называется PROM (Programmable Read Only Memory) и доступна только для ознакомления. Штатная, заводская программа БЭУ согласована с работой базовых агрегатов автомобиля. Поэтому замена чипа без проведения мероприятий по модернизации других систем и элементов конструкции не даст существенных преимуществ.

Стандартные параметры автомобиля посредством электронной корректировки можно улучшить не более чем на 10 процентов, а более высокий уровень их оптимизирования снижает возможности дальнейшей модернизации. Есть некие моменты, в рамках которых можно маневрировать с помощью чип-тюнинга. Так, с целью иметь адаптацию двигателя к различным видам топлива, к колебанию октанового числа бензина производитель некоторым образом занижает угол опережения зажигания. Разработка серийного двигателя ставит перед собой задачу прежде всего экономии топлива, снижения содержания в выхлопных газах вредных частиц. Напротив, основной тюнингования двигателя является повышение мощности или крутящего момента. Получение дополнительной мощности – совершенно реальная задача, если применять не экономичные, а обогащенные составы топливных смесей. Так, современный серийный двигатель с целью минимизации расхода имеет коэффициент избытка воздуха, равный единице или даже 1.2. Это бедные или сверхбедные смеси. Мы, конечно, можем игнорировать экологию, экономику и сделаем коэффициент альфа (лямбда) в районе 0,85 – будем больше лить топлива и получим обогащенный состав. Однако в режимах, близких к максимальным, стандартная программа, скорее всего, уже настроена на мощностную смесь. У всех программ управления двигателями, как правило, существуют две установки – экономичный и силовой режимы. Разные производители и регулируют их по-разному. Например, если угол открытия дроссельной заслонки до 60%, а обороты до 4000, то это режим экономичный. И серийная программа управляет так, что альфа в районе 1 и угол опережения соответствующий. Мы экономим топливо и не загрязняем окружающую среду. Когда программа понимает, что мы начинаем раскручиваться, заслонка открывается больше чем на 60%, а обороты двигателя повышаются более 4000, она устанавливает нам максимальные режимы. С помощью чип-тюнинга можно поиграть диапазоном от 60% до 30%. Это даст изменение характеристик силового агрегата. На динамике подобные меры, наверняка, скажутся, а вот на максимальные показатели крутящего момента и мощности это вряд ли повлияет. В таком режиме все уже отстроено по верхней границе.

Значительно изменить характеристики автомобиля возможно, только проведя масштабный комплекс мероприятий по усовершенствованию всех систем и перепрограммированию блока электронного управления в соответствии с проведенной модификацией и заданными параметрами. Для повышения мощности необходимо на больших оборотах двигателя опередить момент зажигания топлива. При этом следует использовать бензин с повышенным октановым числом. В спорте, например, используются специальные марки топлива, октановые числа которых превышают 100 единиц. И все равно существует опасность самовоспламенения – детонации, что может привести к разрушению двигателя. Чтобы снизить риски, связанные с колебанием октановых чисел бензина, производитель старается уменьшить угол опережения зажигания. Но это не факт, потому что современные двигатели имеют датчики детонации, которые ее распознают и автоматически отстраивают нужный угол. Теоретически, изменяя программу управления, можно подобраться к самому порогу детонации. Для этого в БЭУ заменяется карта опережения. На устаревших моделях устанавливался ручной корректор с ограниченным диапазоном, но позволяющим регулировать угол опережения зажигания в зависимости от сорта бензина.

Наибольшей же прибавки мощности в основном удается достигнуть путем повышения рабочего давления в цилиндрах, используя специализированные сорта высокооктановых топлив и добавки, активизирующие процессы горения. Но в любом случае требуется перепрограммирование бортового компьютера. Качественное перепрограммирование может осуществить только специалист при наличии соответствующих условий и необходимого для этого оборудования. Электронщик адаптирует программу к внесенным изменениям механической части двигателя. БЭУ регламентирует подачу топлива, устанавливает опережение зажигания и отслеживает работу выхлопной системы, оптимизируя мощность в любом режиме.

Контроль над происходящими процессами, выполнение команд бортового компьютера обеспечивают информационные датчики и соответствующие исполнительные механизмы. Каждый из них выполняет свои определенные функции:

• датчик температуры воздуха на впуске информирует БЭУ, а тот регулирует подачу топлива, регулирует опережение и циркуляцию выхлопных газов;

• состав рабочей смеси контролирует соответствующий датчик, в некотором смысле дублируя работу кислородного датчика;

• в свою очередь, кислородный датчик, называемый «лямбда-зондом», показывает содержание кислорода в выхлопных газах. Его сигнал подается на БЭУ в виде напряжения;

• скорость вращения коленчатого вала, смещения отслеживает датчик положения коленчатого вала, выдавая информацию на бортовой компьютер;

• датчик положения распределительного вала позиционирует ВМТ-поршня 1-го

• цилиндра, контролируя подачу топлива;

• датчик температуры охлаждающей жидкости контролирует рабочие параметры, на основании которых БЭУ управляет подачей топлива, установкой зажигания и следит за рециркуляцией выхлопных газов;

• датчик положения дроссельной заслонки определяет работу холостого хода, средней и полной нагрузок двигателя;

• объем поступающего воздуха контролирует датчик расхода воздуха;

• датчик скорости автомобиля выдает на БЭУ соответствующие показания;

• датчик давления паров топливного бака включает и выключает клапан вакуумной системы улавливания паров;

• датчик клапана рециркуляции определяет его положение в зависимости от режима работы двигателя;

• датчик давления в гидравлическом усилителе рулевого механизма контролирует увеличение оборотов двигателя при маневрировании автомобиля на малом ходу;

• датчик оборотов первичного вала актуален для моделей, оснащенных автоматической коробкой переключения передач.

Помимо двигателя бортовой компьютер в состоянии управлять: рулевым гидравлическим усилителем, коробкой переключения передач, АБС, настройкой подвески, регулировать тормозные тяговые усилия и выполнять множество других функций. К исполнительным механизмам относятся:

• главное реле системы впрыска включает реле топливного насоса и БЭУ при повороте ключа «пуск»;

• форсунки впрыска топлива задействуются поочередно по команде компьютера, в соответствии с порядком работы цилиндров; Ширина импульса – период, необходимый для подачи топлива в цилиндры за цикл, регулируется БЭУ и называется цикловой подачей;

• модуль управления зажиганием включает и выключает первичную цепь катушки зажигания; БЭУ определяет степень опережения;

• клапан управления холостым ходом подает воздух в обход закрытой дроссельной заслонки или при работе двигателя в режиме холостого хода;

• электромагнитный клапан вакуумной системы улавливания паров топлива осуществляет продувку угольного фильтра (адсорбера) по команде БЭУ; Избыточные пары через фильтр, затем коллектор поступают в цилиндры, где сгорают, смешиваясь с новой порцией топлива;

• клапан управления датчиком паров топлива работает по команде бортового компьютера и входит в состав бортовой диагностической системы.

В некоторых случаях дополнительно требуется применение периферийных компьютеров. Например, управление «климат - контролем» осуществляется посредством взаимодействия заслонок теплого и холодного воздуха. Таким образом, поддерживается заданная температура в салоне автомобиля.

Задача бортовой диагностической системы - способность БЭУ определять неисправность узлов двигателя, датчиков, исполнительных механизмов и агрегатов. О появлении какой либо неисправности сигнализирует лампочка на панели приборов – CHECK ENGINE (проверь двигатель). В память БЭУ закладывается соответствующий диагностический код. Информацию, содержащуюся в нем, можно извлечь посредством сканирования. О расположении диагностического разъема БЭУ и значении кодов указывается в Руководстве по эксплуатации автомобиля. Там же описывается методика извлечения кодов неисправностей.

Модернизированные двигатели, оснащенные турбо - нагнетателем или впрыском оксида азота, предназначенные для спортивных автомобилей, требуют совершенно иного подхода к регулированию подачи топлива и установки опережения зажигания. Для этого существуют программируемые системы управления и специализированные датчики (таб. 4.1), подключаемые к впускному коллектору, позволяющие отслеживать рабочие процессы. Увеличенный объем воздуха предопределяет большее количество подаваемого в двигатель топлива и, как следствие, значительного изменения угла опережения зажигания. Штатный БЭУ заменяется компьютером, с помощью которого карты впрыска и опережения перенастраиваются. Программное обеспечение компьютера совместимо с Windows, что позволяет использовать обычный ПК.

Таблица 4.1

Модели датчиков

Наименование датчика	Модель	Производитель	Автомобили
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик масс. расх. воздуха	VAZ	Россия	Легковые автомобили ВАЗ, ГАЗ, УАЗ
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик масс. расх. воздуха	SUZUKI	Япония	Легковые автомобили SUZUKI
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик кислор. /лямда-зонд Датчик масс. расх. воздуха	BOSCH	Германия	Легковые автомобили Европейских и российских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик давления	MAZDA	Япония	Легковые автомобили MAZDA
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик кислор. /лямда-зонд	VAG	Германия	Легковые автомобили Европейских и российских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик полож. К.В.	ERA	Италия	Легковые автомобили Европейских и российских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик полож. К.В.	FORD	США	Легковые автомобили FORD
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры	BEHR HELLA	Германия	Легковые автомобили американских и европейских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры	BERU	Германия	Легковые автомобили европейских, японских и корейских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик давления Датчик полож. К.В.	VEMO VAICO	Германия	Легковые автомобили европейских, японских и американских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры	MEAT DORIA	Италия	Легковые автомобили европейских, японских и американских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик давления	FACET	Италия	Легковые автомобили европейских, японских и американских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик давления	LAND ROVER	Великобритания	Легковые автомобили LAND ROVER
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик кислор. /лямда-зонд Датчик масс. расх. воздуха	OPEL	Германия	Легковые автомобили европейских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры	DELPHI	США	Легковые автомобили американских и европейских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры	MEYLE	Германия	Легковые автомобили европейских и американских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик масс. расх. воздуха	FEBI	Германия	Легковые автомобили американских и европейских производителей
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры Датчик полож. К.В. Датчик масс. расх. воздуха	RENAULT	Франция	Легковые автомобили RENAULT
Датчик, полож. расп./вала Датчик температуры	FAE	Испания	Легковые автомобили европейских и американских производителей
Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик температуры Датчик масс. расх. воздуха	VDO	Германия	Легковые автомобили европейских и американских производителей
Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик кислор. /лямда-зонд	PEUGEOT	Франция	Легковые автомобили европейских и японских производителей
Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик полож. К.В. Датчик масс. расх. воздуха	DENSO Companies	Япония	Легковые автомобили европейских и японских производителей
Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик кислор. /лямда-зонд Датчик масс. расх. воздуха	GM	США	Легковые автомобили европейских, американских и японских производителей
Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик кислор. /лямда-зонд Датчик масс. расх. воздуха	TOYOTA	Япония	Легковые автомобили европейских и японских производителей
Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик масс. расх. воздуха	MITSUBISHI	Япония	Легковые автомобили европейских и японских производителей
Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик масс. расх. воздуха	MERCEDES BMW	Германия	Легковые автомобили европейских производителей
Датчик давления Датчик полож. К.В. Датчик кислор. /лямда-зонд	KIA HYUNDAI	Корея	Легковые автомобили южно-корейских производителей
Датчик давления Датчик полож. К.В.	HONDA	Япония	Легковые автомобили европейских и японских производителей
Датчик кислор. /лямда-зонд	NGK	Япония	Легковые автомобили европейских и японских производителей

Такими комплексными системами управления двигателем оснащаются динамометрические стенды станций технического обслуживания и пат-доки спортивных команд, на которых возможно моделировать реальные условия гонок. Блок контроля впрыска и опережения позволяет избежать многих ошибок при подготовке автомобиля к соревнованиям.

При настройке двигателя серийного автомобиля в незначительном диапазоне вполне реально увеличить возможности штатного БЭУ, установив дополнительный микропроцессор. При этом сохранятся все стандартные характеристики. Микропроцессор берет на себя функцию управления работой двигателя в специальных режимах. Он совместим с обычным ПК и позволяет корректировать происходящие действия. Имеется возможность сохранения заново созданных карт и подключения их по мере необходимости. Можно заложить в память октановое число, а ему будут соответствовать фазы газораспределения и углы установки опережения зажигания топливной смеси, вплоть до вариантов оснащения мотора наддувом или системой впрыска закиси азота. В любом случае имеется возможность обернуться к исходной точке. Процессы подлежат виртуальному моделированию.

Важнейшей системой модернизации является топливная. Основное требование, которому должны отвечать бензины – стойкость против детонации. Другими словами, бензин на всех режимах работы двигателя обязан нормально воспламеняться от искры зажигания и сгорать в цилиндрах без недопустимо резкого повышения температуры и давления отработанных газов. Если же сгорание приобретет аномальный, напоминающий взрыв характер, то это вызывает прогорание клапанов и прокладки головки блока, разрушение поршней и поршневых колец, а также имеет другие неприятные последствия.

Детонационную стойкость оценивают по величине октанового числа (ОЧ). Чем это число выше, тем более высокой стойкостью против детонации обладает бензин. Значимость величины ОЧ подчеркивается тем, что это единственный из многих параметров, определяющих качество бензина, который указывается в маркировке того или иного сорта данного типа топлива – А-76, АИ-92, АИ-95, АИ-98. Что касается буквенных символов в наименовании сорта бензина, то литера «А» означает автомобильный, «И» – октановое число этого бензина определено по исследовательскому методу. Кроме этого, для определения ОЧ применяется моторный метод: в таком случае литера «И» в маркировке сорта бензина отсутствует.

Не вдаваясь в технические подробности, чем отличаются оба метода друг от друга, заметим, что оценка ОЧ основывается на сравнении бензина со смесью, состоящей из двух углеводородов – изооктана и гептана. Первый из них обладает высокой антидетонационной стойкостью, соответственно, ОЧ изооктана принимается равным 100 единицам. Стойкость против детонации у гептана, напротив, никакая, и его ОЧ равно нулю. Если при испытании выясняется, что антидетонационная стойкость исследуемого бензина равна стойкости смеси, содержащей 76% изооктана и 24% гептана, то октановое число бензина равно 76.

Детонация – давний враг бензиновых двигателей. Долгое время общепринятой во всем мире практикой повышения детонационной стойкости бензинов было введение в их состав присадок на основе тетраэтилсвинца. Однако сегодня использование этилированных бензинов как продуктов, представляющих экологическую опасность и отрицательно влияющих на работу некоторых компонентов современных двигателей (каталитических нейтрализаторов выхлопных газов и лямбда-зондов), во многих странах запрещено, либо выпускаются они в минимальных количествах.

Но детонационную стойкость можно поднять другими добавками. Носителями антидетонационного эффекта являются соединения железа (ферроцен) и марганца (карбонилмарганец). Эти вещества гораздо менее токсичны, чем этилсвинец, не влияют на работоспособность нейтрализатора, но зато имеют свойство оседать на поверхности камеры сгорания, способствуя образованию нагара, и на электродах свечей зажигания, снижая срок их службы в 1,5 – 2 раза. Поэтому Мировая топливная хартия, принятая в 1998 г., поставила под запрет любые металлосодержащие добавки в бензин. Таким образом, у производителей бензинов остался единственный, по сути, способ увеличения детонационной стойкости этого топлива – за счет увеличения содержания в нем легких высокооктановых фракций.

Особенности внутреннего смесеобразования в дизеле и воспламенение горючей смеси не от постороннего источника, как в бензиновых двигателях, а вследствие высокой температуры предварительно сжатого в цилиндрах воздуха предъявляют специфические требования к дизельному топливу. Впрыснутое в камеру сгорания топливо должно воспламеняться без существенной задержки. Если период запаздывания воспламенения окажется большим, то к моменту возгорания смеси основная часть дозы топлива будет уже введена в цилиндр. В результате горючая смесь мгновенно вспыхнет по всему объему камеры сгорания. Хотя дизель проектируется с расчетом такого объемного сгорания топлива с резким, подобным детонации нарастанием давления, тем не менее, на солярке с чересчур большим периодом задержки самовоспламенения он работает слишком жестко, его детали испытывают повышенные нагрузки и быстрее изнашиваются.

Воспламеняемость дизельного топлива оценивают по величине цетанового числа (ЦЧ). Между цетановым числом солярки и октановым числом бензина нередко проводят параллели, что, может быть, не совсем корректно технически, зато возвращает ЦЧ значение, утерянное в связи с тем, что эта важнейшая характеристика качества солярки не используется в обозначении марок дизельноготоплива, в отличие от маркировки бензинов, где, как говорилось выше, величина ОЧ указывается в обязательном порядке. Буквенные же индексы (Л – летнее дизтопливо, З – зимнее и А – арктическое), применяемые для обозначения сорта солярки, определяют температурно-сезонные пределы использования горючего для дизелей и к величине цетанового числа имеют лишь косвенное отношение.

Говорить о сходстве ЦЧ и ОЧ можно еще и потому, что аналогично октановому числу оценка дизельного топлива по цетановому числу основана на сравнении солярки со смесью, состоящей из двух углеводородов. В случае с дизтопливом в качестве эталонных химических веществ выступают цетан и aльфа-метилнафталин. Цетан отличается высокой расположенностью к самовоспламенению, альфа-метилнафталин, напротив, плохой. Соответственно, ЦЧ цетана принимается равным 100 единицам, а альфа-метилнафталина – нулю. Цетановое же число смеси этих двух веществ выражают в объемных процентах содержащегося в ней цетана, и характеризует этот параметр, разумеется, способность смеси к самовоспламенению. Когда говорят, что ЦЧ солярки равно 40, это значит, что период задержки воспламенения данного топлива такой же, как у смеси, состоящей из 40% цетана и 60% альфа-метилнафталина. Чем выше цетановое число, тем короче задержка воспламенения.

В летний период эксплуатации дизель нормально запускается и плавно работает на топливе с цетановым числом 40 – 45 единиц. Для зимы желательно использование солярки с увеличенным на 5 – 10 единиц цетановым числом. Дальнейшее увеличение ЦЧ нецелесообразно, так как ведет к повышению удельного расхода топлива и дымности отработанных газов. Согласно стандартам, действующим в странах СНГ в отношении выпускаемого промышленностью дизтоплива, ЦЧ любой марки солярки – зимней, летней или арктической – должно быть не менее 45. Вероятно, по этой причине величина ЦЧ не отражается в маркировке дизельного топлива. Для сравнения: в Финляндии и Швеции, странах с близкими к нам климатическими условиями, для дизтоплива принято цетановое число на уровне 48 – 49 единиц.

ЦЧ солярки можно увеличить добавлением присадок – препаратов на основе органических перекисей, а также алкилнитратов. Однако, учитывая, что при «переборе» ЦЧ растет расход топлива и тем самым «улетучивается» экономическая привлекательность дизеля, рациональным является использование присадок, увеличивающих ЦЧ не более чем на 3 – 5 единиц. Следует знать, что практикуемое некоторыми автомобилистами в зимний период разбавление дизтоплива керосином или бензином, расширяя температурный предел использования летнего сорта солярки, в то же время снижает ЦЧ получаемой смеси. Более грамотное решение проблемы – использование антигелевых присадок, которые улучшают низкотемпературные свойства топлива, но на цетановое число не влияют либо несколько увеличивают его, что для зимней эксплуатации дизеля – полезно.

В случаях, когда прирост мощности и момента требуется только на короткий срок, используется более простая альтернатива механическому тюнингу – закись азота N2О (нитрос). Нитрос – лучший выбор для тех, кто не хочет тратить много денег, но при этом хочет добиться существенного увеличения мощности двигателя. Механический тюнинг подразумевает непосредственное вмешательство в работу двигателя, переделку его узлов и агрегатов. Это, в свою очередь, снижает ресурс двигателя, либо ведет к очень дорогостоящим заменам таких частей, как блоки цилиндров, поршни, шатуны, коленчатый и распредвалы, клапаны и т.д. Нитрооксидная система (НОС) включается по желанию водителя, а все остальное время двигатель работает в своем обычном режиме без дополнительных нагрузок и расхода топлива.

Плотность закиси азота примерно на 50% больше плотности воздуха. Кислорода в ней содержится примерно 36 %, против 21% в атмосфере, т. е. при разложении закиси выделяется в 1,7 раза больше кислорода, чем его находится в том же объеме воздуха. Чтобы подать необходимую для мгновенного ускорения порцию закиси в цилиндры, не нужна турбина или приводной компрессор – достаточно пустить сжиженный газ из баллона во впускной коллектор. Что и делают при разгоне, открывая клапан газовой магистрали посредством дистанционного привода.

Попав в двигатель, молекулы закиси азота под действием высоких температур распадаются на азот и кислород, и этот самый высвободившийся кислород позволяет бензину сгорать эффективнее. Давление в цилиндре повышается, и как результат – повышение мощности. А высвободившийся азот работает как антидетонатор, не давая процессу горения идти лавинообразно.

Закись азота также увеличивают плотность топливно-воздушной смеси. Подающаяся в состав смеси в виде сжиженного газа закись азота приводит к ее немедленному охлаждению, т.к. температура испаряющегося сжиженного газа всегда на несколько порядков ниже температуры окружающей среды. А, как известно, более холодная и более плотная смесь лучше горит и производит больше мощности.

Существуют три типа систем закиси азота: сухая, мокрая и система прямого впрыска (direct port):

Сухая система является самой дешевой и простой, закись подается одной форсункой в коллектор. Система неуправляема, её можно только включить и выключить. Под карбюратор или в коллектор за воздушным фильтром (у впрысковых моторов) врезается дополнительная форсунка для подачи закиси. Впрыск топлива осуществляется как обычно. При этом при подаче закиси азота нужно подать и больше горючего, иначе смесь обеднится и возникнет нежелательная детонация, которая вполне может привести к поломке двигателя. Так как впрыском управляет бортовой компьютер, то необходимо либо перенастраивать его, увеличивая продолжительность открытия форсунок, либо повышать давление в топливной магистрали.

В мокрой нитро-системе закись подаётся также как в сухой, но дополнительно происходит подача топлива с помощью отдельной форсунки, что позволяет избегать появления детонации и достичь максимальных показателей для этого типа впрыска. Объем закиси азота и топлива выверяется компьютером нитрос-системы, что делает это устройство более самостоятельным и удобным в управлении. Единственная сложность в том, что к такой системе приходится проводить дополнительную топливную магистраль. Такие системы особо подходят для наддувных моторов.

- Третий тип систем впрыска закиси азота – это системы прямого впрыска. Здесь для каждого цилиндра предусмотрена отдельная форсунка, которая по команде распределительного блока смешивает и отмеряет необходимое количество закиси азота и топлива. Таким образом, существует возможность контролировать соотношение закись азота/топливо для каждого цилиндра индивидуально. Это самый мощный и один из самых точных типов систем. Системы прямого впрыска являются еще и самыми сложными в установке. В связи с этим, а также с их высокой мощностью эти системы применяются в основном на гоночных автомобилях.

Главным недостатком системы является повышенные температуры процесса, что приводит к оплавлению поршней двигателя, то есть необходимо устанавливать относительно не мощную НОС. При правильном выборе НОС для данного двигателя, например для 4-х цилиндрового двигателя, получают дополнительные 40 – 60 л.с.; для шестицилиндрового двигателя получают прибавку в диапазоне 75 – 100 л.с.; для малого блока V8 – до 140 л.с.; для большого блока V8 – 200 л.с. Эта рекомендуемая прибавка мощности, позволяющая оставить механику двигателя без доработки.

Для получения больших значений необходимо тюнинговать весь двигатель. Сначала необходимо заменить шатунно-поршневую группу. При этом используются кованые поршни вместо штатных из-за возросшей нагрузки на двигатель. Далее следует замена коленчатого вала и настройка системы зажигания. Также необходимо использовать качественное топливо или специальный гоночный бензин. Часто требуется установка топливного насоса повышенной мощности и более холодных свечей зажигания.

Если вы хотите добиться качественного результата, необходима не только установленная система закиси азота, но и доработка двигателя, усиление его механизмов для работы в критических режимах. Это включает в себя следующее: установка спортивной шатунно-поршневой группы и холодных свечей, замене коленвала и распредвалов, доработка зажигания и замена топливного насоса, замена головки цилиндров на головку, предназначенную для работы в более жестких условиях. Система закиси азота достаточно требовательна к топливу. Поэтому бензин желательно использовать либо АИ-98, либо спортивный.

С истема охлаждения двигателя внутреннего сгорания – совокупность устройств, обеспечивающих подвод охлаждающей среды к нагретым деталям силового агрегата и отвод от них в атмосферу лишней теплоты, которая должна обеспечивать наивыгоднейшую степень охлаждения и возможность поддержания в требуемых пределах теплового состояния двигателя при различных режимах и условиях работы. Она должна быть рассчитана на отвод значительного количества теплоты. Это достигается установкой нескольких радиаторов или одного, большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением – увеличением потока охлаждающего цилиндры воздуха. В зависимости от уровня форсирования двигателя может потребоваться и эффективное охлаждение смазочного масла.

В период сгорания рабочей смеси температура в цилиндре достигает 2000 °C и более. Система охлаждения предназначена для поддержания оптимального теплового состояния двигателя в пределах 80-90 °.Сильный нагрев может вызвать нарушения нормальных рабочих зазоров и, как следствие, усиленный износ, заклинивание и поломку деталей, а также снижение мощности двигателя за счет ухудшения наполнения цилиндров горючей смесью, самовоспламенения и детонации. Для обеспечения нормальной работы двигателя необходимо охлаждать детали, соприкасающиеся с горячими газами, отводя от них тепло в атмосферу непосредственно, либо при помощи промежуточного тела (воды, низкозамерзающей жидкости). При чрезмерно сильном охлаждении рабочая смесь, попадая на холодные стенки цилиндра конденсируется и стекает в картер двигателя, где разжижает моторное масло. Как следствие этого, мощность двигателя уменьшается, а износ увеличивается. При понижении температуры масло густеет. Это является причиной того, что масло хуже подается в цилиндры и увеличивается расход топлива, уменьшается мощность. Поэтому система охлаждения должна ограничивать температурные пределы, обеспечивая наилучшие условия работы двигателя.

С уществует три типа систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания: воздушная, жидкостная, гибридная.

В оздушное охлаждение – система, при которой рубашка цилиндра свободно обдувается воздухом, тем самым забирая большую часть тепла двигателя. Является самой простой, так как не требует сложных деталей и систем управления. Недостаток системы заключается в маленькой теплоемкости воздуха, что не позволяет равномерно отводить от двигателя большое количество тепла и, соответственно, создавать компактные мощные силовые установки.

Примером машин с воздушным охлаждением могут служить автомобили ЗАЗ-968 и Volkswagen Käfer. Так как предполагалось, что советским советским автовладельцам придется обслуживать автомобиль самостоятельно (с учетом дефицита запчастей), воздушное охлаждение оценивалось положительно и виделось весьма практичным в суровых зимних условиях (при низких температурах нет риска замерзания охлаждающей жидкости на стоянке). Кроме того, малая масса силового агрегата, его простота и разборная конструкция (съемные цилиндры) позволяла отремонтировать автомобиль практически «в чистом поле». Однако такая конструкция системы охлаждения обусловила возникновение проблемы перегрева в жаркую погоду, которая особенно усугублялась в процессе износа двигателя, когда его оребрение покрывалось слоем масла и прилипшей к нему пыли. Следует отметить, что на автомобилях ЛуАЗ-969, где тот же двигатель работал с большей нагрузкой, но лучше обдувался набегающим потоком воздуха, его перегрев наблюдался редко.

Цилиндры двигателя охлаждаются жидкостью, после чего она возвращается в расширительный бачок. Является очень старым типом системы охлаждения, в настоящее время этот тип в автомобилестроении не используется, так как жидкость не успевает охладиться, поэтому двигатели, оснащенные этой системой охлаждения, не могут работать в течение длительного времени. Однако в двигателях речных и морских судов запас охлаждающей жидкости (забортной воды) не ограничен, что позволяет уменьшить вес силовой установки по сравнению с двигателями с гибридной системой охлаждения.

Сейчас такую систему называют жидкостной (рис. 4.26). Фактически она все же гибридная, так как в ее работе принимает участие воздух.

Г ибридный тип сочетает вышеуказанные системы: тепло от цилиндров отводится жидкостью, после чего, на удалении от теплонагруженной части двигателя, охлаждается в радиаторах воздухом. Состоит из рубашки охлаждения блока цилиндров, головки охлаждения блока цилиндров, радиатора, вентилятора, жидкостного насоса, термостата, расширительного бачка и датчика температуры. Этот тип используется на всех современных автомобилях. Жидкость охлаждает цилиндры, а затем сама охлаждается в радиаторе. В этой системе существует два круга циркуляции жидкости – большой и малый. Большой круг составляют блок двигателя, водяной насос, радиаторы (в том числе – отопителя салона), термостат. В малый круг входит блок двигателя, водяной насос, термостат.

Регулировка количества жидкости между кругами циркуляции жидкости регулируется термостатом. Малый круг охлаждения предназначен для быстрого введения двигателя в эффективный тепловой режим.

Система гибридного типа охлаждения обычно включает следующие элементы:

• двойные стенки цилиндров, пространство между которыми заполнено охлаждающей жидкостью (например, водой или антифризом);

• теплообменник или радиатор, состоящий из трубок и полостей;

• вентилятор, состоящий из ступицы и лопастей, при вращении которого обеспечивается прокачка воздуха между трубками радиатора;

• центробежный насос, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости в системе;

• трубопроводы и патрубки, связывающие двигатель с радиатором.

Двухконтурная система охлаждения. В одном контуре охлаждается вода дизеля, а в другом вода, охлаждающая масло и наддувочный воздух (в теплообменных аппаратах - интеркулерах). Охлаждение воды обоих контуров осуществляется воздухом в полуторных радиаторных секциях холодильной камеры, имеющей три мотор-вентилятора. В контуре охлаждения воды дизеля используются радиаторные секции половинной глубины, а в контуре охлаждения воды второго контура используются радиаторные секции полной глубины. Мотор-вентиляторы холодильной камеры оборудованы системой плавного регулирования их производительности.

Испарительная система. Существует подвид системы охлаждения, называемый испарительной системой. Главное отличие ее от обычных водяных или этиленгликолевых – доведение температуры охлаждающей жидкости (воды) выше точки кипения, в результате чего при испарении от теплонагруженных деталей отводится большое количество тепла. Пар конденсируется в жидкость в радиаторе, и цикл повторяется. Подобные системы использовались в авиастроении в 30-х годах XX века.

Мы рассмотрели лишь основные методы тюнинга силовых агрегатов. Понятно, что приведенные значения даны лишь с целью иллюстрации приемов доработки двигателей. Главный же, «количественный», вопрос остался за рамками теории и на практике, в каждом конкретном случае, должен решаться специалистом, выполняющим работы, учитывая его знания и опыт. В реальной жизни доводка двигателя представляет собой комбинацию приведенных способов. И вовсе не из принципа «чем больше, тем лучше», а потому, что двигатель автомобиля – сложный организм, имеющий множество взаимосвязанных параметров, которые необходимо учитывать, если цель работы – получение результата, а не удовольствие от процесса.

Исследование эксплуатационных параметров двигателя с целью определения возможности тюнинга двигателя

Исследование влияния установочного угла опережения и давления впрыскивания топлива на эксплуатационные показатели двигателя. Результаты стендовых исследований дизеля Д-240 (4Ч 11/12,5) покали, что при уменьшении установочного угла опережения впрыскивания топлива от оптимального значения (для данного дизеля - 26 град. п.к.в.) до 20 град.п.к.в. (рис. 1, 2, 3) большее количество топлива подается в процессе сгорания и поступает в зоны сгоревшего топлива на линии расширения при этом максимальные температуры газа в цилиндре дизеля снижаются, что определяет снижение образования и выброса с отработавшими газами (ОГ) окислов азота. С другой стороны уменьшение установочного угла опережения впрыскивания топлива способствует увеличению давления и температуры газов в цилиндре в начале впрыскивания и сокращению времени протекания подготовительных процессов горения топлива при этом наблюдаются более высокие температуры в начальный момент горения топлива. Повышение температуры заряда снижает поверхность натяжения капель топлива, затрудняет дальнейшее их слипание. Оптимальный размер капель, зависящий от состояния воздушной среды (температуры и давления) будет меньше, чем обуславливает более короткое время испарения капель. При быстром испарении сокращается время, в течение которого продукты сгорания находятся при повышенной температуре и, следовательно, уменьшается количество образовавшихся окислов азота.

Рис. 4.27 Изменение цикловой подачи топлива при различных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива на нагрузочной характеристике двигателя Д-240:установочный угол опережения впрыскивания топлива, град п.к.в. 1 - 20, 2 - 23, 3 - 26, 4 - 29, 5 - 32.

Улучшение взаимодействия топливных факелов с воздушным зарядом приводит к уменьшению концентрации углеводородов, продуктов неполного сгорания, то есть повышается экономичность работы двигателя. Однако, с дальнейшим уменьшением установочного угла опережения впрыскивания топлива, концентрация углеводородов остается постоянной и даже несколько возрастает. Причина этого явления заключается в том, что перед горением смесь не перемешивается до гомогенного состояния, соответствующего общему избытку кислорода, по-видимому, имеет место диффузионное горение. Увеличение количества топлива в отдельных зонах сгорания и недостаток кислорода приводит к росту концентрации углеводородов в ОГ.

При увеличении давления начала впрыскивания топлива улучшается качество распыла, что способствует повышению скорости сгорания подготовленного топлива за период задержки воспламенения и интенсивность образования промежуточных продуктов реакции при выгорании топлива, впрыснутого во время самого процесса сгорания. Протекание реакций при диффузионном горении определяется в основном физическими процессами. При любом качестве распыла существуют капли топлива различных диаметров, но, чем мельче распыливается топливо, тем интенсивнее теплообмен и нарастание давления, скорость выгорания топлива повышается: наблюдается наиболее полное сгорание топлива, уменьшаются концентрации углеводородов от значений.

Рис. 4.28 Изменение содержания углеводородов в отработавших газах при различных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива на нагрузочной характеристике двигателя Д-240: установочный угол опережения впрыскивания топлива, град п.к.в. 1 - 20 , 2 - 23, 3 - 26, 4 - 29, 5 - 32.

Рис. 4.29 Изменение содержания оксидов азота в отработавших газах при различных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива на нагрузочной характеристике двигателя Д-240: установочный угол опережения впрыскивания топлива, град п.к.в. 1 - 20, 2 - 23, 3 - 26, 4 - 29, 5 - 32.

Рис. 4.30 Изменение цикловой подачи топлива при изменении давления впрыскивания топлива для различных значений нагрузки (%) двигателя Д-240. 1 - 100, 2 - 90, 3 - 80, 4 - 60, 5 - 40.

Рис. 4.31 Изменение содержания оксидов азота в отработавших газах при различных значениях давления впрыскивания топлива на нагрузочной характеристике двигателя Д-240: давление впрыскивания топлива, МПа 1 - 20,5 , 2 - 17,5, 3 - 14,5.

Максимальные температуры газов в цилиндре значительно ниже температуры пламени, но существующее по законам теплообмена

Рис. 4.32 Изменение содержания углеводородов в отработавших газах при различных значениях давления впрыскивания топлива на нагрузочной характеристике двигателя Д-240: давление впрыскивания топлива, МПа 1 - 20,5 , 2 - 17,5, 3 - 14,5.

концентрационная и температурная неравномерность приводит к возрастанию содержания окислов азота в ОГ. Однако при давлении начала впрыскивания топлива выше Р_ф = 18 МПа наблюдается небольшое снижение окислов азота, так как более тонкий распыл обуславливает быстрый теплообмен, при этом сокращение времени наблюдения максимальных температур в большей степени, чем повышение значений максимальных температур, влияет на образование окислов азота.

Исследование влияния подачи воды в камеру сгорания на эксплуатационные показатели двигателя

Исследования работы двигателя при подаче воды, то есть на водо-топливной смеси (ВТС), проводились организацией рабочего цикла раздельной подачей топлива и воды непосредственно в цилиндры, причем вода впрыскивалась как перед началом, так и в конце процессов смесеобразования и сгорания топлива.

Анализ результатов обработки индикаторных диаграмм рабочего процесса двигателя ГАЗ - 52 (рис. 7) показал, что наибольшее различие в протекании кривых характерно для варианта при содержании воды в топливе g_ц = 0,195 г/цикл Q_w = 10...°до ВМТ (g_ц - количество подаваемой воды; Q_w - угол начала впрыскивания воды). При этом максимальное давление цикла снижается на 0,10 … 0,18 МПа и происходит сдвиг пика максимального давления P_z на 6 … 8…⁰ по повороту КВ, вследствие замедления нарастания давления. Кроме того, отмечен спад давления на линии расширения и смещение всего рабочего процесса вправо относительно ВМТ.

При впрыскивании воды до ВМТ важное место в реализации эффекта от подачи воды отводится моменту впрыскивания по отношению к моменту принудительного воспламенения. Так, на малых нагрузках и оборотах, когда угол опережения зажигания 5 … 7…⁰ до ВМТ, подача воды - Q_w = 10…⁰ до ВМТ, происходит до начала воспламенения смеси. Такое, впрыскивание воды в камеру сгорания до принудительного воспламенения аналогично ее подаче во впускной коллектор. В связи с этим, при подаче воды в пропорции к топливу более 40 %, наблюдаются недостатки сходные с впрыскиванием во впускную трубу: неравномерность амплитуд индикаторных давлений, неустойчивая работа двигателя и падение индикаторной мощности. Кроме того, впрыскивание воды после закрытия впускного клапана, хотя и снижает температуру свежего заряда, изначально понижая температурные нагрузки в цилиндре, не способствует увеличению наполнения цилиндра.

Рис. 4.33 Изменение давления в цилиндре двигателя при впрыскивании воды в камеру сгорания.

При больших частотах вращения КВ и нагрузках, когда угол опережения зажигания становится больше 10 град. п.к.в. до ВМТ, впрыскивание воды происходит после начала воспламенения, в результате чего стабилизируются параметры рабочего процесса. Анализ индикаторных диаграмм показал, что наиболее важным пунктом управления рабочим процессом подачей воды является момент впрыскивания. Как видно из осциллограмм, при слишком ранней подаче процесс затормаживается с уменьшением Р_z.

Наибольший эффект достигается от подачи воды после прохождения начальной стадии сгорания и нарастания давления, что соответствует подаче около ВМТ (увеличение давления на 0,15 МПа). В этом случае рабочий процесс развивается без потерь, по циклу «без воды», а последующая подача воды «срезает» максимальные температуры, уменьшая термическую нагрузку цикла. То же самое, однако, со значительно меньшим эффектом, происходит при поздней подаче воды (Q_w=10 град п.к.в. после ВМТ).

Анализ изменения температуры цилиндровых газов показал, что при впрыскивании воды происходит значительное снижение температурного режима цикла. Причем, чем больше количество подаваемой воды и ближе угол начала ее впрыскивания к углу опережения зажигания, тем выше разность температур по сравнению с обычным циклом. Однако, как отмечено выше, при работе на таких режимах возможны потеря мощности и неустойчивая работа двигателя.

Понижения продолжительности и уровня высоких температур в цикле с подачей воды уменьшают продолжительность угла интенсивного образования оксидов азота Q_NО, а значит, способствуют снижению их концентрацию в ОГ. Впрыскивание воды в цилиндры приводит к снижению уровня и продолжительности периода максимальных температур, а также увеличению скорости охлаждения продуктов сгорания, что создает условия для снижения выбросов оксидов азота с ОГ.

Работа с подачей воды на малых частотах (n = 1600 мин^-1) и малых нагрузках (М_е < 85 Н·м) приводит к наибольшему падению мощности по сравнению с режимом без подачи воды (3 %). Двигатель при этом работает неустойчиво, особенно, при подаче воды за 10 град п.к.в. до ВМТ (рис. 8, 9).

Заметное падение мощностных показателей объясняется влиянием угла опережения зажигания топливо - воздушной смеси, величина которого меньше угла впрыскивания воды в этом диапазоне. Так как впрыскивание воды начинается раньше момента зажигания и предваряет воспламенение, затрудняя его, то наблюдается некоторое торможение внутрицилиндровых процессов из-за ухудшения термодинамических параметров смеси. В то же время на средних нагрузках (М_е = 120 Н×м) наблюдается снижение удельных расходов (20 - 25 г/кВт×ч), что связано с оптимальным прохождением рабочего процесса, подтверждающее преимущества подачи воды на этих режимах, которые не распространяются на нагрузки М_е < 100 Н×м.

Подача воды практически не сказывается на экономических показателях двигателя. Анализ температур газов в КС показывает значительное их снижение при любых углах подачи воды, что составляет на различных нагрузочных и скоростных режимах 100… 200 К. В то же время, наибольшее снижение температурного уровня соответствует подаче воды вблизи до ВМТ.

Скрытая теплота парообразования снимает наиболее высокие температуры, одновременно способствуя более полному сгоранию топлива.

Рис. 4.34 Влияние угла впрыскивания воды на эффективную мощность двигателя при цикловой подаче воды g_ц = 0,065 г/цикл

Рис. 4.35 Влияние параметров впрыскивания воды на эффективный расход топлива при частоте вращения КВ n = 2400 мин^–1

Снижение уровня максимальных температур и увеличение скорости охлаждения продуктов сгорания создают условия для снижения выбросов оксидов азота с ОГ.

Рис. 4.36 Зависимость изменения температур цилиндровых газов от количества впрыскиваемой в камеру сгорания воды W.

Изменение количества подачи воды влияет на снижение числа локальных высокотемпературных центров, следовательно, уменьшает температуру внутрицилиндровых газов и количество оксидов азота. Этот процесс по-разному сказывается на мощностных и экономических показателях двигателя, теплонапряженности и токсичности.

Увеличение количества впрыскиваемой воды вдвое приводит к снижению температур внутрицилиндровых газов. В то же время, возможное снижение эффективной мощности ограничивает увеличение количества впрыскиваемой воды. Наиболее заметное снижение температур происходит на режиме максимальных частот вращения КВ и нагрузок. Поэтому этот режим нужно признать с одной стороны наиболее термически напряженным, а с другой стороны – восприимчивым к впрыскиванию воды.

Снижение зоны высоких температур на всех исследуемых режимах уменьшает образование оксидов азота. В результате моторных испытаний определено, что изменение мощностных и экономических показателей двигателя находится в пределах точности эксперимента.

Исследование влияния рециркуляции отработавших газов на эксплуатационные показатели двигателя

С точки зрения оптимизации режимов работы системы рециркуляции ОГ по выбросам твёрдых частиц и оксидов азота, можно утверждать, что изменяя степень рециркуляции ОГ можно снизить выбросы твёрдых частиц и оксидов азота на режимах работы двигателя с нагрузкой, не превышающей 50 % от максимальной.

Рис. 4.37 Зависимость изменения концентрации оксидов азота в ОГ от количества впрыскиваемой воды W.

В этом случае мощностные параметры двигателя остаются в пределах допустимого. Применение рециркуляции в количестве 1/3 несколько увеличивает выбросы СН, но дальнейшее увеличение степени рециркуляции оказывает положительное влияние и позволяет снизить выбросы углеводородов на 60…70 %.

Исследованиями также установлено, что применение рециркуляции ОГ позволяет при степени рециркуляции, равной 3/3, получить снижение выбросов оксидов азота до 60%. Такие результаты можно объяснить снижением максимальных температур цикла, имеющих непосредственное влияние на выбросы NO.

Анализируя полученные зависимости, можно утверждать, что с увеличением степени рециркуляции эффективная мощность дизеля падает, особенно эта закономерность проявляется в диапазоне Р_е свыше 0,7 МПа, т.е. в режиме нагрузок, близких к максимальным (рис. 12). Это объясняется тем, что с увеличением нагрузки дизеля процессы смесеобразования и сгорания ухудшаются, а рециркуляция усугубляет их и приводит, к снижению эффективной мощности двигателя. Следовательно, с точки зрения потерь мощности, рециркуляцию целесообразно применять на режимах, не превышающих ¾ от максимальных нагрузок двигателя. Исследуя закономерность изменения удельного эффективного расхода топлива, можно заметить, что с увеличением рециркуляции ОГ экономичность двигателя первоначально несколько улучшается; что проявляется на режимах, не превышающих ¾ от максимальной нагрузки (Р_е = 0,05…0,65 МПа). Однако, при увеличении рециркуляции ОГ более 2/3 экономичность начинает ухудшаться.

На режимах, превышающих ¾ от максимальной нагрузки, наблюдается нежелательное ухудшение экономичности, что подтверждает ранее сделанное предположение о том, что РОГ следует применять на режимах, не превышающих 75 % от максимальной нагрузки. Если количество выбросов по NO_X уменьшается при использовании системы рециркуляции ОГ, то для эффективного уменьшения твердых частиц в ОГ необходимо также использовать фильтры различного рода.

Рис. 4.38 Изменение технико-экономических показателей работы дизеля в зависимости от значения нагрузки n = 1700 мин^-1

Исследование влияния систем нейтрализации вредных выбросов с отработавшими газами на эксплуатационные показатели двигателя

Для повышения эффективности уменьшения выбросов токсичных компонентов ОГ применяется комплексный метод, сочетающий в себе два модуля – модуль рециркуляции ОГ и модуль фильтр-нейтрализатор. Таким образом, при сочетании двух модулей системы питания получена система очистки ОГ, которая максимально компенсирует их отрицательные влияния на исходный дизельный процесс.

Модули очистки и рециркуляции ОГ дизельного двигателя, которые использовались в исследованиях (рис. 13) содержат впускной трубопровод 2, выпускной трубопровод 3, в котором последовательно по ходу потока выхлопного газа расположены датчик 4 давления выхлопных газов, устройство 5 фильтрации, всасывающе-нагнетающее устройство 6. Выпускной трубопровод 3 соединен с рециркуляционным трубопроводом 7 через всасывающе-нагнетающее устройство 6 роторно-нагнетающего типа. Всасывающе-нагнетающее устройство 6 снабжено электроприводом, состоящим из электродвигателя 17, электрически связанного с блоком управления 18 и датчиком 4. Рециркуляционный трубопровод 7 снабжен охладителем 19 и сообщен с впускным трубопроводом 2 через регулируемый клапан 20.

Рис. 4.39 Схема установки очистки и рециркуляции ОГ:

1 – двигатель; 2,3 – впускной и выпускной трубопроводы; 4 – датчик давления; 5 – устройство фильтрации; 6 – всасывающее-нагнетающее устройство; 7 – трубопровод рециркуляции; 8 – электродвигатель; 9 - блок управления; 10 – охладитель; 11 – регулируемый клапан

При работе комплексного модуля увеличивается скорость прохождения потока газов через устройство фильтрации, тем самым ускоряется процесс выведения выхлопных газов и несгоревших частиц, не позволяя им откладываться на деталях двигателя. Увеличение скорости выхода выхлопных газов из рециркуляционного трубопровода во впускной трубопровод увеличивает турбулентность и улучшает степень гомогенности смеси воздуха с выхлопными газами на впуске. При впуске более однородной смеси в цилиндр двигателя происходит более полное сгорание топлива, уменьшается образование несгоревших частиц, что приводит к увеличению ресурса работы двигателя.

Модуль фильтрации представляет собой керамический сажевый фильтр. Внутренние поверхности фильтрующих элементов могут покрываться каталитическим слоем, или состоять из катализатора и сажевого фильтра, установленных последовательно в выпускном трубопроводе.

Конструктивно сажеуловитель представляет собой керамические элементы 1, размещенные в металлическом корпусе 2, к которому присоединен выпускной патрубок 3, отводящий очищенные ОГ в атмосферу, и входной патрубок 4, соединявшийся с выхлопной трубой двигателя.

На входе в сажеуловитель установлен (по требованию заказчика) перепускной клапан 5, который открывается при достижении допустимого противодавления на выпуске ОГ. Керамический элемент уплотняется в корпусе сажеуловителя с помощью высокотемпературного герметика.

В качестве наполнителя при производстве фильтрующих элементов использован монофракционный нормальный электрокорунд с зернистостью № 25, который, благодаря узкому фракционному составу зерен, обеспечивает получение наименее плотной упаковки частиц в материале и, следовательно, наибольший фактический объем пустот, ответственных за образование порового пространства керамики.

В качестве глинистого компонента использована глина и бентонит оглаклинский, основным глинообразующим минералом которого является натриевый монтмориллонит.

Активная площадь фильтрующих элементов увеличена посредством выполнения каналов, которые на входе и выходе заглушаются в шахматном порядке (рис. 4.40).

Размеры фильтрующего элемента определяются количеством ОГ, производимых двигателем, и собственной пропускной способностью элементов.

Для восстановления пропускной способности фильтров сажеуловителей могут использоваться следующие типы регенерации: тип 1 - сажевые фильтры-насадки, которые заменяются по сигналу датчика о засоренности (эффективно использовать на внутрицеховом транспорте); тип 2 – фильтры, ежедневно регенерируемые от постоянного источника (на автомобилях со сравнительно короткими рейсами); тип 3 – фильтры с полной регенерационной системой на борту автомобиля (работает при неподвижном автомобиле); тип 4 - автоматическое устройство с автоматической регенерацией фильтров в процессе движения.

Рис. 4.40 Сажеуловитель (100х100х400):

1 – керамический элемент; 2 – корпус; 3, 4 – выходной и входной патрубки; 5 – перепускной клапан.

Применение сажевых фильтров с системой автоматической регенерации дает возможность практически полностью исключить дымление дизелей и выбросы твердых частиц. Это показали стендовые моторные и эксплуатационные испытания. Так при проведении испытания на автобусе с повышенным дымлением двигателя установка фильтра привела дымление двигателя в норму.

Достигнуто снижение дымности ОГ у грузовых автомобилей и автобусов в 2-3 раза, а на легковых автомобилях – в 5,5 раз. Эффективность очистки достигла 93–95 %.

Оптимальные значения максимально возможного восстановления оксидов азота при различных значениях времени разгона были определены по результатам проведения трехфакторного эксперимента.

За основные факторы, влияющие на величину оксидов азота в ОГ приняты: частота вращения коленчатого вала двигателя (Х₁), нагрузка (Х₂) и время режима разгона (X₃).

По результатам исследований были получены уравнения регрессии – зависимости изменения концентрации оксидов азота в ОГ от выше названных факторов. При исследовании работы модернизированного модуля-нейтрализатора в результате канонического преобразования уравнение регрессии имеют вид

Рис. 4.41 Керамический элемент с закрытыми в шахматном порядке каналами.

Рис. 4.42 Зависимость изменения концентрации оксидов азота ОГ от времени режима разгона и нагрузки при частоте вращения x₁=0 (n = 3480мин^-1) двигателя ЗМЗ – 4062.10.

X₁ = 0

X₂ = 0

X₃ = 0

Полученные результаты уменьшения количества NO_x в ОГ, подтверждают расчетно-теоретические исследования, рассмотренные в главе 2. В модернизированном модуле нейтрализации NO_x организован многократный ступенчатый процесс взаимодействия оксидов азота и углеводородных радикалов с восстановителем.

Рис. 4.43 Зависимость изменения концентрации оксидов азота ОГ от времени режима разгона x₃ и частоты вращения x₁, при нагрузке x₂=0 (Ре = 50%) двигателя ЗМЗ – 4062.10

Рис. 4.44 Нагрузочная характеристика двигателя ЗМЗ 4062 при n = 5200 мин^-1

Полученное, по результатам экспериментальных исследований уравнение регрессии, позволяет определить оптимальное соотношение времени разгона, нагрузки двигателя и скоростного режима при максимально-эффективном восстановлении NO_x ОГ. Общее решение системы уравнений с целью минимизации выхода оксидов азота (с учетом стандартов EURO) имеет вид: время цикла разгона 18< <26с, частота вращения двигателя 2400<n<3000мин^-1, нагрузка 30<P_e<67%.