Багги - спортивный снаряд, и хотя мощности обычных двигателей обычно хватает для легкой машинки, но ее всегда хочется больше! Эта статья рассказывает об основных принципах наращивания мощности двигателя.
Когда имеется в виду мощность двигателя, необходимо не забывать о том, что эта величина является расчетной. Реальная величина механической энергии, выдаваемой двигателем внутреннего сгорания, измеряется в крутящем моменте при определенных оборотах. Произведение крутящего момента и оборотов, при которых он измерен, и называют мощностью. Мощность высчитывается по следующим формулам:
Не будем вдаваться глубоко в теорию. Рассмотрим практические методы повышения мощности двигателя:
1 Увеличение рабочего объема двигателя.
2 Увеличение степени сжатия.
3 Уменьшение механических потерь.
4 Оптимизация процессов горения смеси.
5 Увеличение наполнения цилиндров.
Рассмотрим каждый из перечисленных методов по отдельности.
Увеличение рабочего объема двигателя.
Увеличить рабочий объем двигателя можно: заменив колен.вал на другой с большим ходом, увеличив диаметр цилиндра или то и другое одновременно. Не надо забывать, что при изменении объема двигателя, необходимо увеличить объем камеры сгорания - для компенсации увеличения объема цилиндра.
Для ВАЗовских двигателей, используемых на заднеприводных автомобилях существуют колен.валы с ходом 66, 80, 84, 86, 88 мм.
Для ВАЗовских двигателей, используемых на переднеприводных автомобилях существуют колен.валы с ходом 60.6, 71, 74.8, 75.6, 78, 80, 84 мм.
При установке колен.вала с большим ходом необходимо доработать (либо заменить) шатуны или поршни.
К расточке цилиндров блока на значительную величину ( 2мм.) нужно подходить осторожно. Например, при расточке серийного блока ВАЗ 21083 с 82мм. 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. Такие блоки ВАЗ выпускает мелкими сериями.
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 колен.вала, то возрастает средняя скорость поршня, что приводит к тем же результатам.
В любом случае повышение объема приводит к падению общего КПД двигателя.
Увеличение степени сжатия.
Термический КПД
Увеличение степени сжатия (степени расширения) является эффективным способом повышения КПД двигателя. Геометрическая степень сжатия рассчитывается по формуле:
Геометрический объем камеры сгорания складывается из:
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 безпрокладочном моторе при сборке поршень не доходил до плоскости головки 0.85мм. 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 следствию 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 распред. валов с широкими фазами. Установка на двигатель модифицированного распред. вала 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.
Механический КПД
Механические потери двигателя складываются из:
Потери на трение.
Насосные потери.
Потери 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. Средняя скорость поршня высчитывается по формуле:
При превышении средней скорости поршня выше 20 м./сек. резко возрастают потери на трение и нагрузки на детали КШМ. 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 КШМ.
Нами был произведен эксперимент. Был испытан на стенде серийный двигатель ВАЗ 21083. После чего его разобрали, все детали КШМ тщательно подогнали по весу. Отбалансировали колен. вал и шатуны (шатуны балансируются на специальном приспособлении, позволяющем развесить шатуны так, чтобы центр масс у всех находился в одной точке). После повторных испытаний на стенде мы не заметили прибавки мощности. Можно себя успокаивать тем, что хуже не будет.
Для уменьшения потерь на трение в наши гоночные моторы мы устанавливаем новые поршни со значительно уменьшенной площадью юбки, одним компрессионным кольцом, высотой 1.2мм. и сборным маслосъемным кольцом высотой 2мм. Также используем специально изготовленные шатуны Н-образного сечения, которые длинней серийного 2108 на 12 мм. и намного жестче и легче.
Сравнение масс деталей КШМ серийного и гоночного двигателей.
шатун поршень палец кольца общая масса
21212 ст. 674 382 103 35 1194
гоночный 496 234 53 12 795
Для уменьшения трения в шейках колен.вала, необходимо хонингованием увеличить на 0.02мм.(от номинального вазовского размера) внутренний диаметр нижней головки шатуна и постелей колен.вала. Падение давления масла при этом не происходит. Также необходимо проконтролировать легкость вращения распред.вала.
При наполнение 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 распред.валов с более широкими фазами.
Уровень масла в поддоне серийного двигателе находится в непосредственной близости от вращающегося колен.вала. При боковых и линейных ускорениях автомобиля масло попадает на противовесы и шейки колен.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, такого как: привод механизма ГРМ, водяной насос, генератор и т.д. Для форсированных двигателей, используемых на высоких оборотах, целесообразно увеличить передаточное отношение привода водяного насоса и генератора. При установке кондиционера и гидроусилителя руля эффективная мощность двигателя снижается.
Оптимизация процессов горения смеси.
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.
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 отводиться наружу и теряется, следовательно уменьшаться мощность. Чем на большее расстояние перемещается фронт пламени, тем больше вероятностью возникновения детонации потому, что увеличивается время контакта еще не воспламенившейся смеси с горящим зарядом.
Большая часть объема в камере сгорания должна быть сконцентрирована около свечи. 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.
Перепады давлений в серийном двигателе ВАЗ 21212 при работе с полностью открытой дроссельной заслонкой, на 3000 об/мин. и 6000 об/мин.
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 формулы 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.
Изменение внешней скоростной характеристики спортивного двигателя ВАЗ 21083 1.6 группа А, SOLEX 24x26, при замене клапанов с диаметров тарелок 31.5 и 37 на диаметры 34 и 39
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 ВМТ- на серийных распред.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 правила 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 происходит 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, оказывает огромное значение на характеристику форсированного двигателя.
Двигатель чувствует изменения длины любой части "паука" на 20 мм. и диаметра на 1мм.
Изменение внешней скоростной характеристики при использовании различных конфигураций выпускной системы. Двигатель ВАЗ 2112 1500 головка серийная, низ серийный, модифицированные распред. валы (перекрытие 2.8 мм.) четырех дроссельный впуск SVR.
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 увеличение оборотов и мощности двигателя существенно возрастают нагрузки на его детали. В первую очередь это относится к клапанам, колен.валу, 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 безпрокладочную конструкцию. В блоке фрезеруются канавки, в которые вставляются пассики из специальной термостойкой резины. Головка притягивается с моментом 6 кгм. Такая конструкция намного жестче чем с серийной прокладкой и имеет более высокую теплоотдачу, устойчивость к разрушению от детонации и перегрева двигателя.
Спасибо за статью Laif
