Теория форсировки двигателей

[Daemon]

Источник - Reliable soft

Как бы не развивались события, связанные с Автозаз-DAEWOO, как бы ни шло навстречу рядовому гражданину родное правительство, облегчая ввоз из-за рубежа подержанных иномарок, а ближайшие пять лет большинство автомобильного парка страны будут составлять все-таки ВАЗы и "Москвичи".

Купленные своими хозяевами во времена "великого и могучего" они, отслужив не один десяток лет, и по сей день остаются основным средством передвижения на дачу и к огородам. Они дают возможность "подграчнуть" на кусок нелегкого хлеба в городе и приехать на рынок из деревни.

Но сегодня, особенно в городском транспортном потоке, они уже не удовлетворяют современным требованиям ни по разгонной динамике, ни по эластичности двигателя. Автомобили, выпускавшиеся в ныне несуществующей стране, сходили с конвейера не одно десятилетие практически без изменений. Автозаводы занимались не производством автомобилей, а выполнением плана по их выпуску. Конструкторам было недосуг исправлять мелочные огрехи и "детские" ошибки в конструкции, в результате чего автомобили, зачастую еще до своего рождения, потеряли возможность конкурировать со своими европейскими и заокеанскими собратьями.

[Daemon]

Первыми, кто осознал это и стал искать пути улучшения конструкции двигателя, были спортсмены. Некоторые из методов, найденных ими и опробованных во множестве соревнований, хотелось бы осветить в этой статье, целью которой автор ставит дать практические рекомендации по усовершенствованию двигателей автомобилей семейства М-412 для повышения их мощности и разгонной динамики.

Но прежде, необходимо вкратце рассмотреть теоретические аспекты работы двигателя внутреннего сгорания, что впоследствии поможет лучше понять логику вмешательства в работу двигателя.

[Daemon]

В общем случае эффективная мощность четырехтактного двигателя определяется по формуле:

Ne=0,000475 hm hg hf hv Vh Hg n (л.с.)

где:
hm -механический КПД (определяет потери на трение и насосные потери);
hg -относительный КПД (определяет потери тепла в системе охлаждения);
ht - термический КПД (определяет потери вследствие неполноты расширения продуктов сгорания в идеальном цикле при нетеплопроводном цилиндре);
hv - коэффициент наполнения - отношение действительной массы свежего заряда к теоретической массе заряда при давлении и температуре атмосферы (определяет совершенство наполнения цилиндра рабочей смесью);
Vh -рабочий объем двигателя, л;
Hg -теплотворная способность 1 м3 рабочей смеси при нормальном давлении и температуре и при коэффициенте избытка воздуха ?=1 для всех видов жидкого топлива почти одинакова, среднее значение Hg=825 кал/м3;
n -число оборотов коленчатого вала в минуту.

[Daemon]

Рабочий объем двигателя определяется по формуле:

Vh=0,785 D2 Si (см3)

где:
D -диаметр цилиндра, см;
S -ход поршня, см;
i -число цилиндров.

Повышение мощности двигателя путем повышения рабочего объема является наиболее простым и результативным способом создания форсированых модификаций. Этот способ наиболее часто используется при выпуске переходных моделей серийных двигателей - одним из примеров такого подхода есть создание двигателя ВАЗ 2106 на базе двигателя 2103.

[Daemon]

Поскольку увеличение количества цилиндров является невыполнимой, в отличных от заводских условиях, задачей, единственным выходом является увеличение диаметра цилиндра и хода поршня. Поскольку увеличение хода поршня требует замены коленчатого вала, наиболее простым с технической точки зрения, является увеличение диаметра цилиндра, которое проще всего произвести применив поршневую группу ремонтного размера. Дальнейшее увеличение рабочего объема двигателя можно осуществить применяя поршневую группу от другой модели. При этом потребуется расточка посадочных мест под гильзы, обработка уплотнительных поверхностей прокладки головки блока, обеспечить необходимую степень сжатия.

Изменение хода поршня, требующее более точных и дорогих технологических операций, как то: изготовление нового коленчатого вала, более коротких шатунов (если не имеется возможности подобрать поршни с другим расположением поршневого пальца), в этой статье рассматриваться не будет.

[Daemon]

Одним из наиболее простых, с технологической точки зрения, способом повышения мощности двигателя является повышение степени сжатия. В настоящее время у современных двигателей этот показатель находится на уровне значений, характерных для спортивных модификаций.

От величины степени сжатия зависит термический КПД двигателя, который с увеличением степени сжатия e до значений e=12~13 растет достаточно быстро, а после превышения значения 13 - медленнее. Увеличение степени сжатия ограничивается проявлением детонации вследствии роста температуры рабочей смеси в конце такта сжатия.

Как-то мне пришлось столкнуться с возмущенным клиентом, который на следующий день, после того, как получил долгожданный автомобиль с форсированным двигателем, приехал жаловаться на невозможность заглушить горячий двигатель, который продолжал работать даже при выключенном зажигании.

После непродолжительного разговора выяснилось, что в бак был залит 76-й бензин.

[Daemon]

Увеличить коэффициент наполнения можно благодаря применению нескольких карбюраторов, лучше всего, по одному на каждый цилиндр (для повышения коэффициента наполнения в инжекторном двигателе применяются иные, отличные от данного методы, но о них мы поговорим позже). Многие высокофорсированные двигатели оснащались прямоточными карбюраторами. Но поскольку такое изменение в системе питания двигателя ведет к повышенному расходу топлива, в условиях реальной каждодневной эксплуатации этот метод повышения мощности двигателя является неприемлемым.

Другим способом повышения коэффициента наполнения является применение головки блока с 4 клапанами на цилиндр, а также снижение потерь скорости движения горючей смеси в приборах питания, впускных трубах и клапанной щели, а также от степени очистки цилиндров от отработанных газов. Поскольку величины этих потерь пропорциональны квадрату скорости движения смеси, то у впускного тракта форсированного двигателя увеличивают проходные сечения. Производится также установка клапанов большего диаметра, увеличивают подъем клапанов и расширение фаз газораспределения, для чего необходим новый распределительный вал (для двигателя М-412 такой вал выпускается со средины 70-х годов).

Впускные трубопроводы должны иметь плавные изгибы, увеличенные проходные сечения, высокую чистоту внутренней поверхности. Совершенно недопустимы несовпадения каналов в местах соединения труб, поскольку турбулентность способствует снижению скорости потока. Улучшение очистки цилиндров от отработавших газов достигается такой же доработкой выпускного тракта двигателя.

Форсирование по числу оборотов оказало наибольшее влияние на изменение конструкции механизма газораспределения.

Относительный КПД двигателя зависит от тепловых потерь в процессе горения, которому наиболее соответствует камеры сгорания полусферической, сегментно-сферической и шатровой формы. Снижению тепловых потерь способствует, также, увеличение степени сжатия, так как при этом можно уменьшить поверхность камеры сгорания и увеличить количество оборотов, благодаря чему сократится время соприкосновения газов со стенками камеры сгорания.

[Daemon]

Увеличение механического КПД происходит за счет снижения потерь на трение.

Трение поршней, в основном, вызывается боковой нагрузкой на поршень, которая определяется силами инерции поступательно движущихся частей. Снизить массу поршня можно механической обработкой, а поршневого пальца и шатуна - путем изготовления их из более прочных титановых сплавов. В общем балансе механических потерь потери на трение в подшипниках коленчатого вала составляют около 16% при использовании подшипников скольжения.

Эта величина может быть снижена путем применения подшипников качения, но для этого потребуется изменение конструкции коленчатого вала, который выполняется сборным из отдельных деталей, соединенных запрессовкой.

Главным направлением в форсировке двигателя М-412 было увеличение его рабочего объема с использованием поршней большего диаметра при неизменности хода поршня. Выбор пал на поршень диаметром 92 мм. Это было обусловлено несколькими причинами.

Во-первых, увеличивался рабочий объем двигателя на 26%, что при прочих равных условиях давало возможность получить такое же увеличение мощности по сравнению со стандартными двигателями М-412.

Во-вторых, увеличивалась относительная короткоходность двигателя, что повышало срок службы деталей поршневой группы благодаря уменьшению средних скоростей движения поршня при тех же оборотах двигателя, способствовало росту коэффициента наполнения цилиндров ввиду меньших скоростей впуска, пропорциональных скоростям движения поршня. Кроме того, у более короткоходного двигателя меньше тепловые потери.

В-третьих, поршень диаметром 92 мм широко применяется на двигателях семейства ГАЗ. Значит, можно было использовать готовые поршневые кольца, двигатель оказывался годным для ремонта. После определенной переделки были использованы гильзы от двигателя автомобиля ГАЗ-24 или ГАЗ-21.

[Daemon]

Много внимания было уделено вопросу повышения степени сжатия. Увеличение степени сжатия сверх пределов, ограниченных октановым числом применяемого бензина, связано с возникновением детонации, в результате чего двигатель перегревается, наполнение ухудшается, мощность снижается, износ основных деталей может возрасти в 2-3 раза. Сильная детонация нередко приводит к прогоранию днища поршня.

Кроме опасных для надежности двигателя детонационных явлений с увеличением степени сжатия резко возрастают нагрузки на поршневую группу и вкладыши, которые в двигателе М-412 не имеют достаточного запаса по работоспособности и прочности (возможно, в связи с малыми размерами).

Есть еще одно немаловажное обстоятельство, ограничивающее выбор степени сжатия по верхнему пределу. Заметный рост мощностных показателей двигателя с повышением степени сжатия наблюдается до значения е=10-11, затем прибавка мощности с увеличением степени сжатия не столь существенна, а надежность и долговечность двигателя резко ухудшаются.

Исходя из всего сказанного наиболее рациональным является форсировка двигателя по степени сжатия до 9,8-10, что подтверждалось опытом участия в соревнованиях ведущих гонщиков СССР.

[Daemon]

На собранном и обкатанном двигателе истинная величина степени сжатия проверяется компрессометром на прогретом двигателе с вывернутыми свечами при 200-250 об/мин, т. е. при оборотах, даваемых стартером при полностью заряженном аккумуляторе. Замеренное компрессометром значение давления конца такта сжатия в каждом цилиндре легко пересчитывается в степень сжатия по эмпирической формуле:

e=(Pc + 3,9)/1.55

где:
е - степень сжатия;
Рс - давление, замеренное компрессометром, кгс/с.м2.

Замеренная по давлению Рс степень сжатия должна соответствовать расчетной, и разница в замерах в каждом цилиндре не должна превышать 0,5-1 кгс/см2. Это залог успешной работы двигателя. В противном случае надо обязательно выяснить причину отклонений и устранить ее, даже если это связано с разборкой двигателя.