Доработка бензинового двигателя
Тюнинг двигателя заключается в его доработке, настройке, регулировке для увеличения мощности и крутящего момента с целью улучшения скоростных и тяговых свойств автомобиля, применительно к требованиям владельца. Для профессионалов автосервиса это развивающийся бизнес, для автомехаников любителей — своеобразное хобби, для изобретателей — необъятное поле деятельности. Достижения в этой сфере ограничены, с одной стороны, существующими техническими возможностями, а с другой — действующим законодательством, стандартами и правилами.
Содержание |
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Серийный легковой автомобиль универсален и приспособлен для эксплуатации в различных условиях: в городах с интенсивным движением, на загородных дорогах с различным качеством покрытия, на равнине, в горной местности и т.д. Он должен иметь хорошие тяговые и скоростные свойства и в то же время быть экономичным, безопасным и долговечным при приемлемой для покупателя цене.
Резервы повышения мощности заложены в конструкции любого двигателя. Разнообразные, часто противоречивые, требования заставляют автозаводы прибегать к различным компромиссам, жертвуя одними свойствами ради достижения других. Применительно к двигателю это мощность, крутящий момент, топливная экономичность, токсичность выхлопных газов, уровень шума, надежность и долговечность.
Двигатель это сбалансированный агрегат, и не исключено, что добившись улучшения одних параметров, можно получить недопустимое ухудшение других. Тонкую регулировку, настройку и глубокую доработку способны выполнить мастера, обладающие высокой квалификацией и опытом работы в условиях хорошо оснащенной мастерской.
Тюнинг требует комплексного подхода, так как увеличение мощности приводит к возрастанию нагрузок на детали двигателя, что требует их замены на более прочные, улучшения условий смазки и охлаждения.
Под более мощный двигатель необходимо адаптировать другие агрегаты, узлы и детали автомобиля. Например, для передачи возросших нагрузок следует заменить сцепление на усиленное и т.д.
Термины и определения
Мощность — работа, совершаемая двигателем в единицу времени, увеличивается с ростом крутящего момента и оборотов коленчатого вала, измеряется в кВт — киловаттах (ранее измерялась в лошадиных силах,1 л.с. — приблизительно 0,74 кВт).
Крутящий момент — усилие, создаваемое на коленчатом валу двигателя в результате давления газов на поршень при их сгорании и передаваемое трансмиссией на ведущие колеса автомобиля, измеряется в Нм — ньютоны на метр (может измеряться в кгс.м).
Максимальное значение крутящего момента приходится на средние обороты двигателя (примерно 2500—3500 оборотов в минуту)1. Чем больше крутящий момент, тем лучше динамика разгона автомобиля.
Обороты двигателя — частота вращения коленчатого вала, измеряется в оборотах в минуту.
Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. С ее увеличением возрастают давление и температура в цилиндрах двигателя, и как следствие, вероятность детонации. Это требует применения топлива с бОльшим октановым числом.
Детонация — “взрывное” воспламенение горючей смеси и ее сгорание со скоростью, значительно превышающей нормальную. Сопровождается характерным металлическим стуком и перегревом двигателя. Может привести к повреждению поршня, поршневых колец, зеркала цилиндра, клапанов и свечей зажигания.
Горючая смесь — создается системой питания из топлива и воздуха, поступающих в цилиндр двигателя (при избытке топлива смесь называется “богатой”, при недостатке — “бедной”). Оптимальный состав смеси называется стехиометрическим (на 1кг топлива — 14,7 кг воздуха).
Коэффициент наполнения — отношение фактического количества горючей смеси, поступившего в цилиндр, к количеству смеси, которое могло бы при идеальных условиях поместиться в цилиндре.
Инерционный напор — эффект, возникающий при движении потока газов. В частности, он проявляется в том, что при задержке закрытия впускного клапана горючая смесь, двигаясь во впускном трубопроводе по инерции, продолжает наполнять цилиндр, несмотря на то, что поршень уже начал двигаться вверх в такте сжатия.
Фазы газораспределения — моменты открытия и закрытия клапанов, измеряются в углах поворота коленчатого вала.
Основные способы доработки двигателя
Мощность поршневого бензинового двигателя зависит от его литрового объема, степени сжатия и количества горючей смеси, поступившей в цилиндр. Существенное влияние оказывает состав смеси, определяемый соотношением топлива, воздуха и продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре от предыдущего рабочего цикла.
“Настройка” фаз газораспределения, отличная от заводской, позволяет эффективнее использовать инерционный напор газов при впуске и выпуске для повышения наполнения цилиндров и улучшения их очистки от отработавших газов. В силу особенностей клапанных газораспределительных механизмов обеспечить оптимальные фазы можно в относительно узком диапазоне оборотов двигателя. Их корректировку, как правило, осуществляют путем установки другого распределительного вала.
- Распределительные валы, в обиходе называемые “верховыми” и “низовыми”, смещают максимум крутящего момента соответственно в область повышенных и пониженных оборотов.
- Быстроходной (верховой) называется установка более ранних фаз газораспределения для смещения максимума крутящего момента в сторону бОльших оборотов.
- Тихоходной (низовой) называется установка более поздних фаз газораспределения, сдвигающих максимум крутящего момента в сторону меньших оборотов.
- Двигатель с “быстроходной” регулировкой при прочих равных условиях повышает скоростные и снижает тяговые свойства автомобиля, а с “тихоходной” — улучшает разгон и ухудшает скоростные свойства.
Фото. Форма кулачков распределительных валов:
а — “спортивного”;
б — серийного
- Разрезные шестерни2, зубчатые венцы которых можно поворачивать относительно ступицы, применяют с различными конструкциями распределительных валов с целью обеспечения возможности максимально точной регулировки момента открытия клапанов (для “выставления” фаз газораспределения).
Фото. Разрезные шестерни привода распределительного вала различной конструкции
- Корректировка скорости открытия впускных клапанов. Устанавливают распределительный вал с кулачками такого профиля, который сначала замедляет, а затем ускоряет открытие клапанов. В результате на первой стадии в цилиндре образуется повышенное разряжение, что после резкого открытия клапана приводит к росту скорости горючей смеси на впуске, увеличению наполнения и соответствующему повышению мощности двигателя.
Уменьшение сопротивления движению горючей смеси на впуске и использование инерционного напора для улучшения наполнения обеспечивают путем проведения следующих мероприятий3:
- устанавливают фильтр пониженного (“нулевого”) сопротивления;
- увеличивают проходные сечения впускного трубопровода и каналов головки цилиндров;
- сглаживают неровности, оставшиеся после отливки, и иногда полируют внутренние поверхности трубопроводов;
- расширяют проходные сечения каналов и по возможности их спрямляют;
Фото. Фильтры пониженного (на жаргоне - “нулевого”) сопротивления
устанавливают клапаны с тарелкой большего диаметра4;
Фото. Впускные клапаны:
а — с увеличенной тарелкой и уменьшенным диаметром части стержня;
б — серийный
- срезают выступающую во впускной канал часть направляющей втулки клапана и уменьшают диаметр части стержня клапана, расположенной в канале5;
- устанавливают более короткие впускные патрубки для повышения максимальной мощности на высоких оборотах6;
- в двигателях с впрыском увеличивают проходное сечение дроссельного узла7;
Рис. Снятие металла с клапана и его втулки для уменьшения сопротивления во впускном канале (пунктиром показаны первоначальные размеры)
для увеличения оборотности двигателя заслонку ставят не во впускном канале, а в патрубке каждого цилиндра. В четырехцилиндровых двигателях устанавливают так называемый “четырехдроссельный впрыск”;
- устанавливают резонаторы на впуске для увеличения эффекта от инерционного напора газов.
Снижение температуры газов на впуске увеличивает весовое наполнение цилиндров и уменьшает вероятность детонации. Этого достигают, охлаждая впускной трубопровод различными методами. При необходимости изолируют его от выпускного трубопровода.
Применение принудительного наддува с использованием нагнетателя воздуха существенно повышает весовое наполнение цилиндра и увеличивает мощность. В большинстве случаев на двигатель устанавливают специальные комплекты — как правило, компрессор и детали его привода. При этом необходимо понизить степень сжатия примерно на 30%. Недостатком является появление “турбоямы” — снижения крутящего момента на низких оборотах. Нагрузка на детали двигателя при наддуве существенно возрастает, что требует обязательного применения усиленной шатунно-поршневой группы8.
“Настройка” системы выпуска улучшает очистку цилиндров от отработавших газов и повышает коэффициент наполнения в определенном диапазоне оборотов двигателя9. Этого добиваются подбором длины выпускных трубопроводов. Считается наиболее эффективным применение выпускных трубопроводов (“пауков”) с патрубками одинаковой длины. Иногда четыре трубопровода от цилиндров сразу сводят в общую трубу. В другом случае сначала соединяют попарно выпускные патрубки первого и четвертого, затем второго и третьего цилиндров и уже потом их всех объединяют.
Прямоточный глушитель10 применяют для снижения сопротивления выходу отработавших газов на средних и высоких оборотах. По эффективности глушения звука в большинстве случаев такой глушитель уступает штатному.
Перепрограммирование системы управления двигателем (чип-тюнинг) является вспомогательным методом и дает реальный результат когда используется для оптимальной настройки систем топливоподачи и зажигания при изменении фаз газораспределения, литража, степени сжатия и некоторых других параметров двигателя. Особенно эффективен чип-тюнинг при установке принудительного наддува.
Прямой эффект этого метода незначителен, так как основан на корректировке заводских программ электронных систем управления подачей топлива11 и углами опережения зажигания. В электронный блок управления (контроллер) устанавливают микросхему с иной программой, а иногда перепрограммируют (“перепрошивают”) штатный чип. При этом увеличивается содержание несгоревших углеводородов в отработавших газах12. В случае использования бензина с тем же октановым числом возрастает вероятность детонации из-за установки более ранних углов опережения зажигания.
Увеличение рабочего объема цилиндра весьма эффективно, но требует серьезной переделки двигателя.
Литраж увеличивают тремя основными способами13:
- применением коленчатого вала с увеличенным радиусом кривошипа;
- увеличением диаметра цилиндров — расточкой или заменой гильз;
- совмещением первых двух способов.
Увеличение степени сжатия положительно влияет на мощность двигателя, но это повышает требования к октановому числу топлива. С учетом фактических свойств применяемого топлива степень сжатия подбирают при доработке двигателя, иногда ее даже приходится уменьшать относительно заводской14.
Уменьшение механических потерь в основном направлено на снижение трения в паре “поршень с кольцами — гильза цилиндра”15. С этой целью осуществляют комплекс мероприятий, в частности применяют:
- облегченные шатуны
Фото. Шатуны
а – облегченный, Н-образного сечения;
б – серийный
- поршни с укороченной юбкой
Фото. Поршни
а – облегченный, с укороченной юбкой;
б – серийный.
- кольца заменяют на более узкие.
Фото. Поршневые кольца
а – узкие для облегченных поршней;
б – серийные
Рекомендации
- До начала работ необходимо решить, что, зачем и какой ценой желательно получить в результате тюнинга. Следует избегать переделок, которые не соответствуют принятому стилю и условиям вождения. Спортивный высокофорсированный двигатель будет провоцировать “дерганую”, нервную езду, что в условиях обычной эксплуатации нежелательно, а в некоторых случаях опасно.
- Целесообразно определить и зафиксировать доступные показатели двигателя до переделок, иначе объективно оценить результаты работы будет невозможно (см. примерную методику).
- Желательно выбирать более простые варианты, например, улучшить тяговую динамику автомобиля можно не повышением мощности двигателя, а подбором передаточных чисел трансмиссии.
- В любом случае необходимо проявлять крайнюю осторожность, так как переделка двигателя может привести не только к бесполезным материальным затратам, потере гарантий, проблемам на техосмотрах и при последующей продаже, но и повлиять на безопасность эксплуатации автомобиля.
Критерии выбора тюнинговой фирмы
- Положительные рекомендации компетентных специалистов и лиц, достойных доверия.
- При возможности пробная поездка на доведенном автомобиле той же модели, что планируется к переделке, для получения собственного мнения об эффективности.
- Оснащенность мастерской испытательным оборудованием.
Полнота и открытость информации, предоставляемой исполнителем о способах доработки двигателя, а также о положительных и отрицательных последствиях проведения тех или иных мероприятий16.
- Наличие договора в письменной форме, где оговорены предусмотренный объем работ, конкретные результаты, методы их оценки, обязательства сторон и т.д.
1С дальнейшим ростом оборотов крутящий момент снижается относительно максимальной величины из-за ухудшения наполнения цилиндров горючей смесью.
2В случае цепного привода распределительного вала разрезными выполняют приводные звездочки.
3Наиболее эффективным является замена карбюратора системой впрыска и штатной головки блока цилиндров на шестнадцатиклапанную.
4При такой доработке важно сохранить необходимый запас прочности стенок рубашки охлаждения и перемычки между седлами клапанов — самой теплонагруженной части камеры сгорания.
5Недостаток таких изменений — больший износ втулок и возрастающая вероятность обрыва клапанов.
6На низких оборотах при коротких патрубках наполнение уменьшается из-за снижения инерционного напора газов. Проблема решается установкой в трубопроводе заслонок с автоматическим приводом, направляющих воздух на низких оборотах по длинному пути, а на высоких — по короткому.
7Увеличивают диаметр впускного канала и дроссельной заслонки.
8Усиление шатунно-поршневой группы необходимо и при установке системы впрыска закиси азота, применяемого для кратковременного увеличения мощности двигателя.
9Наиболее эффективна совместная настройка впуска и выпуска, но она требует высокой квалификации исполнителя и специального оборудования.
10Прямоточным называется глушитель с низким сопротивлением (противодавлением) движению выхлопных газов. Входная труба одновременно является выходной, имеет постоянное проходное сечение и сообщается своей перфорированной частью с камерой глушителя, заполненной звукопоглощающим материалом.
11Особенность бензинового двигателя заключается в том, что максимальная топливная экономичность получается на несколько обедненной смеси. Для обеспечения топливной экономичности на основных эксплуатационных режимах штатная система питания топливом обеспечивает смесь именно такого состава. И только когда педаль газа практически полностью нажата, смесь автоматически обогащается и двигатель развивает максимальную мощность. Если систему питания перестроить на создание обогащенной смеси на всех режимах, мощность двигателя возрастет, но и увеличится расход топлива.
12Нейтрализатор отработавших газов, если он есть, может быть поврежден, так как рассчитан на работу при стехиометрическом составе смеси.
13Если меняют литраж, прирост мощности пропорционален увеличению рабочего объема. Например, для двигателей ВАЗ с ростом объема на каждую 1/10 литра мощность возрастает на 2—3 кВт.
14Например, при установке принудительного наддува или с увеличением литража двигателя.
15Хороший эффект дает применение энергосберегающих масел.
16Практикуемая в некоторых случаях установка защиты новой программы блока электронного управления при чип-тюнинге впоследствии может привести к исключению возможности определения и устранения неисправностей обычными методами.
Примерная методика определения основных показателей работы двигателя
Мощность и крутящий момент мотора в гаражных условиях измерить нереально. Максимальную скорость, даже паспортную, развивать на дорогах общего пользования запрещено, да и опасно. Но некоторые проверки, действуя с помощником, используя секундомер и мерную канистру, соблюдая разумную осторожность, можно осуществить на подходящем для этого участке дороги.
Разгон с места до 100 км/ч. Осуществив ускорение в привычной манере, определяют затраченное время.
Ускорение на высшей передаче с 80 до 110 км/ч и на предыдущей — с 60 до 80 км/ч (проверка “эластичности”). При равномерном движении с начальной скоростью нужно резко и полностью нажать на педаль газа и определить время до достижения необходимой величины.
Расход топлива за пробег автомобиля не менее 100 км по городу или загородному шоссе — там, где преимущественно эксплуатируется автомобиль. Перед поездкой бензобак заполняется “под пробку”, затем расход определяется по количеству долитого топлива.
Повторные испытания после доработки двигателя следует проводить на тех же участках дорог, при такой же загрузке автомобиля, погоде и состоянии покрытия.