ДооборудТюнТрансСред_Конспект лекций_2012

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

похожие на шнеки в мясорубке, вращающихся на встречу друг другу. Работает за счет распределения направленности воздуха из центральной части к окружности. В полость между роторами и корпусом воздух по внешнему периметру корпуса попадает в нижнюю часть. Каждый ротор имеет 2 или 3 кулачка. Например, у В&М и Weiand их два, а у нагнетателей для автомобилей General Motors и у аналогичных Weiand, BPS, Hempton Kuhl, Littlefield, Dyer. Mooneyham - их 3. Если придать роторам спиральную форму, 2-х кулачков будет недостаточно для нагнетания - суперчарджер не будет работать. Необходимо установить 3- ий кулачок, что и сделали конструкторы GMC. Кстати, на замерах мощности прямых 2-х кулачковых нагнетателей, никаких заметных отличий мощности найдено не было.

На рис. 4.10 показан турбокомпрессор.

81

Компрессор представляет собой автономный агрегат, который дополнительно подает воздух в камеры сгорания, улучшая их очистку и повышая качественность рабочей смеси. Таким образом, происходит увеличение мощности двигателя. Одна из частей турбокомпрессора соединена с выпускной системой мотора и работает за счет энергии

выпускных газов, а другая часть соединена с впускной системой. Поступающий воздух нагнетается по патрубкам через интеркуллер во впускной коллектор и попадает в камеру сгорания, тем самым происходит увеличение мощности двигателя.

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

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

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

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

Для того чтобы увеличить мощность серийного двигателя, можно произвести установку системы турбо-кит (рис. 4.11). Система обеспечивает подачу в камеры сгорания двигателя большего количество

82

воздуха. В результате топлива сгорает больше, и мощность двигателя возрастает в несколько раз.

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

Турбокомпрессор – одна из деталей двигателя, напрямую влияющая на его мощность. Соединенный с турбиной с помощью жесткого

вала, или оси, турбокомпрессор, засасывая воздух через фильтр, подает его в сжатом виде непосредственно в двигатель. От объема воздуха, поступающего в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, зависит объем сжигаемого топлива, а значит, и мощность мотора.

Турбо-кит состоит из:

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

выпускного коллектора, выполняющего функцию закрепления турбины на двигателе автомобиля;

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

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

клапана, регулирующего давление воздуха во время переключения передач;

системы управления, которая отвечает за подачу топлива.

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

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

83

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.

84

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

Рис. 4.12 Оптимизация фаз газораспределения 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

85

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

86

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, коррозионноагрессивного 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

87

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

88

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

89

помочь уменьшить на этих оборотах вредное влияние обратной волны, не говоря уже об управлении теми заслонками на выхлопе, которые уже упоминались.

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

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

Индукционный щит (рис. 4.13) для инжекторных систем похож на шляпу гриба и устанавливается на патрубок кислородного датчика вместо штатной коробки с плоским фильтром. Для этих фильтров есть специальные промывки, которые позволяют им восстанавливать свои свойства и возможность использования на многие сотни тысяч километров (рекомендуемая чистка фильтра после 100 000 км). После установки такого фильтра под капотом появится немного больше

индукционного шума и несколько дополнительных лошадей (5 – 10 л.с. для инжекторных авто), а также прибавится крутящий момент в области средних и низких оборотов. Все это повысит эластичность двигателя и улучшит разгонную динамику.

Спортивные воздушные фильтры Все системы фильтрации (рис. 4.14) разработаны для максимального

снижения потерь на впуске, они буквально разглаживают и выпрямляют воздушный поток, что позволяет двигателю вдыхать больший объем воздуха, по сравнению с обычным фильтром.

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

В конце 60-х фирма K&N начала пропитывать специальным маслом хлопковую марлю воздушного фильтра, которая превысила минимальные стандарты фильтрации при

90