Тюнинг двигателя внутреннего сгорания

Тюнинг  двигателя внутреннего сгорания.

Стандартные легковые автомобили сконструированы как  баланс между ежедневными поездками  на небольшие расстояния внутри города и движением с высокой скоростью  по шоссе. Двигатели и трансмиссии  оптимизируются в основном для работы в области низких и средних оборотов, а не в области высоких оборотов. В мотор закладывается серьезный запас прочности, моментная характеристика оптимально "прописана" на низких оборотах, программа управления двигателя бережет экологию и экономику, т.е. следит за "правильным" расходом топлива. Все это делает серийный автомобиль практичным и удобным в эксплуатации для среднестатистического автолюбителя.

Двигатели можно  представить себе как воздушные  насосы, которые смешивают топливо  и воздух и выдают мощность в результате процесса сгорания. Если можно сделать что-то, что увеличивает поток воздуха через двигатель (предполагается, что топливная система способна поставлять достаточно топлива в нужных пропорциях), то мощность двигателя увеличивается. Другими путями увеличения мощности и/или экономичности двигателя является уменьшение веса, трения и нагрузки. Зачем делается тюнинг двигателя? Прежде всего потому, что мы хотим иметь более динамичный автомобиль. И поэтому нам хотелось бы получить существенную прибавку лошадиных сил... Это наиболее распространенный ответ. Автолюбитель хочет иметь динамичный автомобиль и автоматически переносит это понятие на мощность двигателя. Что в общем правильно, но не совсем. Ведь интенсивный разгон можно получить, лишь увеличив вращающий момент на колесе. Сделать это можно двумя способами: в первую очередь, увеличив крутящий момент на коленчатом вале. Или изменить передаточные числа в трансмиссии. Правда, если делать по уму, то надо делать и то и другое. Но тема статьи - тюнинг двигателя, и на ней остановимся. Глобально весь тюнинг двигателя можно разделить на два основополагающих способа. Первый способ - увеличение крутящего момента на коленчатом вале. Второй - не трогая величину крутящего момента, переместить его в зону высоких оборотов. Прежде чем рассматривать нюансы настройки мотора, хотелось бы отметить, что работа с мотором наиболее ответственная в тюнинге автомобиля. Настройка мотора неизбежно повлечет за собой целый ряд мероприятий, таких, как работа с трансмиссией, с подвеской, с тормозами. Теоретически, да и практически, мощность двигателя можно увеличить весьма существенно, но вопрос в разумности этого мероприятия, т.к. рано или поздно сам автомобиль конструктивно перестанет соответствовать своему силовому агрегату. Есть некий предел, который ограничивает развесовка автомобиля, коэффициент сцепления его шин с дорогой. Смысла "накрутить" двигатель и в результате попросту палить сцепление, жечь резину и крошить ШРУСы - просто нет.

Увеличение  вращающего момента .

Увеличение вращающего момента, три варианта Совершенно точно известно, что вращающий момент на коленчатом вале - это в чистом виде объем двигателя при прочих равных условиях. Из простых рассуждений понятно, что чем больше за один рабочий ход мы получим заряд топливо-воздушной смеси в цилиндре и сожжем ее, тем больше получим энергии, которая затем превратится в движение механических частей. Это справедливо для атмосферных моторов.

Второй вариант  применим к семейству наддувных  двигателей. Изменив характеристику блока управления, можно несколько увеличить величину наддува, благодаря чему удастся снять больший момент с коленчатого вала.

И третий вариант - добиться лучшего наполнения цилиндров, улучшив газодинамику, - самый распространенный и самый... негарантированный. Идея в том, что нужно сделать нечто с каналами и камерой сгорания... Но все по порядку.

Рабочий объем

Один из основных вариантов - увеличение рабочего объема цилиндров настолько, на сколько  это возможно. В разумных пределах, конечно. Для дорожного автомобиля этот подход наиболее правильный, потому что, увеличив объем, при этом не изменяя распредвал, т.е. оставив моментную кривую в том же диапазоне оборотов, в котором она и была, мы не заставим водителя переучиваться манере вождения. А на выходе получим искомое - более динамичный автомобиль.

Рабочий объем  можно увеличить двумя способами - заменив стандартный коленвал на коленвал с большим эксцентриситетом или расточив цилиндры под поршни большего диаметра. Логично поинтересоваться - что более эффективно и что менее затратно. Ведь что такое объем двигателя: это есть произведение площади поршня на его ход. Увеличив, условно говоря, в два раза диаметр, мы в четыре раза увеличиваем площадь. Потому что в квадрате. А увеличив в два раза ход, мы лишь в два раза увеличиваем объем. Вот такая математика. Теперь об экономике вопроса. На первый взгляд кажется, что замена кривошипного механизма менее затратна, нежели расточка блока в больший размер. Нюанс в том, что коленвал с большим эксцентриситетом еще найти надо. Делают их на заказ редкие фирмы, производство дорогостоящее и сложное. Разумно в этом случае уповать на стандартизацию производителя. Поэтому логично купить серийное изделие, в нашем случае коленвал, и уже под него подбирать поршневую группу. Конечно, понадобятся другие поршни и шатуны. Это сложно, но подобрать можно. Вопрос в другом. Конструктивно такой ход закладывает некие дополнительные механические потери в работе двигателя, виновниками которых станут более короткие шатуны. Это аксиома- поставив коленвал с большим эксцентриситетом, придется поставить более короткие шатуны, ведь нарастить блок мы не сможем. В чем их минус и почему? 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 движения. 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. В тюнинге, как правило, такими "мелочами" пренебрегают. Когда нельзя, но очень хочется, то можно. 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. Ведь все поршни круглые. И механика всех двигателей диктует примерно одни и те же пропорции. Правда, однозначно заявлять, что увеличение диаметра цилиндров дешевле, нежели замена коленчатого вала, нельзя. Каждый из этих двух способов разумно рассматривать в ракурсе специфики отдельно взятого двигателя.

Наддувные технологии

Семейство турбированных  двигателей интересно для тюнинга  своими конструктивными особенностями, серьезно упрощающими настройку  мотора. В нашем случае можно получить больший момент, опять-таки не трогая ни моментную кривую, ни объем и даже не разбирая двигатель, лишь незначительно изменив величину наддува. В чем особенность конструкции наддувных двигателей? Прежде всего в особенностях управления компрессором, будь то турбина или механический компрессор. Привод и первого, и второго зависит от количества оборотов двигателя. Чем больше оборотов, тем выше давление. Но увеличивать его можно только до определенной величины. За этим следит некий блок управления, стравливая лишнее давление. Изменив характеристику, т.е. слегка подняв планку этого самого стравливания, мы увеличим давление, с которым топливо-воздушная смесь "забивается" в объем цилиндра. И забивает реально больший объем, нежели в случае "щадящих" параметров у серийного двигателя. Работы по увеличению давления не безболезненны - у серийных двигателей есть некий запас по механическим и тепловым нагрузкам, по детонационной стойкости. В разумных пределах увеличить наддув возможно. Но если перешагнуть, то мы или сломаем двигатель, или придется выполнить дополнительные меры - увеличение объема камеры сгорания, другая система охлаждения, дополнительный радиатор, дополнительные дыры, воздухозаборники, промежуточный охладитель воздуха. Наверное придется чугунный коленчатый вал заменить на стальной, подобрать более прочные поршни и обеспечить им охлаждение.

Изменения в газодинамике

Суть понятна - для того чтобы получить больший  момент, надо увеличить заряд топливо-воздушной  смеси. Что можно сделать? Можно  взять инструмент и убрать некие  дефекты серийной сборки - сделать впускные и выпускные каналы более гладкими и ровными, убрать в камере сгорания непродуваемые зоны, модифицировать сами клапана... Работы много, но гарантии нет. Почему? Аэродинамика - вещь непростая. Математически описать процессы, проистекающие в двигателе, сложно. Взять ручку, бумагу и сделать вычисления и исходя из результатов что-то подрезать, отрезать, загнуть - сложно... Или "кинуть глазом" и сказать, где тут лишнее... Порой результат прямо противоположный ожидаемому или никакой. Ради справедливости надо сказать, что в аэродинамике есть резервы. Но извлечь их гарантированно можно, только выполнив ряд экспериментов, продувая пластилиновые макеты каналов на специальной установке, подбирая форму в соответствии с требованиями новых условий работы двигателя. Маловероятно, что это можно сделать "на коленке". Если в первом случае можно говорить о том, что увеличили на 30% объем - получили момент больше на 30%. Во втором - увеличили давление нагнетания на 10% - получили момент больше на 10%. А вот в случае модификации газодинамики сказать с уверенностью, что момент увеличится на 10-15% или увеличится вообще... Сложно.

Переносим момент в зону высоких оборотов

Что такое мощность? Это произведение крутящего момента  на скорость вращения двигателя. Таким образом, сместив стандартную характеристику момента в зону высоких оборотов, мы получим искомую прибавку мощности. Минусы прежде всего те, о которых мы говорили выше - на низах мотор плохо "едет". Любой газораспределительный механизм (без механизма изменяемых фаз) позволяет хорошо наполнять цилиндры только в своем диапазоне оборотов. И как только мы перемещаем вращающий момент в область более высоких оборотов, мы тут же потеряем его внизу. На низких он будет плохо продуваться, а для обычного дорожного автомобиля это плохо - давим на газ, а он не едет. Водитель должен держать стрелку в зоне высоких оборотов. Трогаться с места - сцепление жечь. Поэтому все серийные двигатели имеют максимальный момент где-то в области разумных 2-3 тысяч, чтобы внизу ничего не провалилось.

Конечно, современные  двигатели с изменяемыми фазами газораспределения такими провалами  не страдают. На низких оборотах с помощью  некоего механизма фазы становятся узкими, перекрытие маленьким, и на низких оборотах происходит хорошее наполнение цилиндров. Как только этот двигатель забирается в зону высоких оборотов, что-то делается с механизмом газораспределения, фазы расширяются, появляется большая фаза перекрытия, цилиндры начинают хорошо продуваться на высоких оборотах, и мы имеем хороший вращающий момент.

Итак, если у  нас традиционный мотор (без изменяемых фаз), мы можем сказать себе: плевать  нам на низкие обороты, ставим широкофазный распредвал в двигатель, тем самым  позволяем иметь хорошее наполнение в зоне высоких оборотов. Правда, маловероятно, что мы получим большой вращающий момент, скорее всего, мы его по абсолютной величине получим такой же, как у серийного, только в зоне высоких оборотов. Но произведение его на обороты, на которых он достигается, будет существенно больше, чем у серийного мотора, следовательно, и мощность выше. Двигатель будет иметь ярко выраженный спортивный характер. Использовать таким образом полученную мощность можно, только подогнав передаточные числа в трансмиссии. Это тот путь, который применяется в спорте.

Чип-тюнинг

Когда мы говорим "чип-тюнинг", совершенно понятно, что мы имеем в виду внесение некоторых  изменений в программу управления двигателем. Рассмотрим на трех примерах, которые привели выше, когда чип-тюнинг требуется, а когда нет. В случае семейства моторов с нагнетателем понятно, что чип-тюнинг- это основная идея, т.к. необходимо подкорректировать программу управления механизма, отслеживающего величину наддува. Все остальные изменения в двигателе скорее всего будут следствием изменения программы. Когда мы увеличиваем только объем - наиболее вероятно, что чип-тюнинг не требуется, по двум причинам. Если мы не трогали фазы и оставили моментную кривую без изменения, только ее подняли вверх, то тогда смещать зажигание нам не придется. Вносить изменения в систему управления топливом тоже - если у двигателя есть расходомер воздуха, он измерит его и отдозирует расход топлива. Если мы сильно увеличили объем двигателя, тогда может попросту топлива не хватить. Так как производительность серийной форсунки ограничена, форсункам просто не хватит времени, чтобы впрыснуть нужное количество топлива. В таком случае нужно ставить другие форсунки, с большей производительностью, что в некоторых случаях потребует изменения в программе управления. К работам с газодинамикой можно в полной мере отнести все выше сказанное.

Во втором способе, когда  мы получаем мощность за счет смещения момента в область более высоких  оборотов, - чип-тюнинг необходимо делать без вопросов. Ведь в этом случае программа управления двигателем становится абсолютно непригодной в том виде, в котором она использовалась для серийного мотора. Дело в том, что характеристика управления зажиганием двигателя неразрывно связано с коэффициентом наполнения. А вращающий момент - отражение коэффициента наполнения. Для широкофазных двигателей все настройки становятся более критичными. Изменение состава смеси может значительно повлиять на стабильность работы. Корректировки в программе просто необходимы.

Тюнинг  выпускных систем

Выхлопная система  стандартного автомобиля служит для отвода отработавших газов из камеры сгорания мотора. Попутно решается задача глушения звука выхлопа. Движение отработавших газов в выпускной трубе представляет собой колебательный процесс, который может быть согласован экспериментально с колебательным процессом движения горючей смеси во всасывающем тракте с таким расчетом, чтобы улучшить очистку цилиндра от отработавших газов и его наполнение свежей смесью. В выпускной системе ДВС присутствуют два процесса. Первый - сдемпфированное в той или иной степени истечение газа по трубам. Второй - распространение ударных волн (звука) в газовой среде. Оба процесса оказывают влияние на коэффициент наполнения цилиндров. С первым всё просто и понятно. Большое сопротивление потоку газов (заткните выхлопную трубу!) вызовет снижение качества продувки и потерю мощности. Совершенно понятно, что чем короче и большего диаметра труба, тем меньше её сопротивление потоку. В реальной жизни для полуторалитрового мотора, работающего на оборотах не выше 8000 достаточно диаметра 45 - 50 мм при длине 3 - 3,5 метра. Дальнейшее увеличение диаметра не вызывает существенного уменьшения динамического сопротивления. Если в выпускной системе построить на некотором расстоянии от клапана отражатель, который называют резонатором, то на определённых оборотах улучшится продувка цилиндров, что поднимет вращающий момент двигателя. Это явление называется "настроенный выхлоп" и используется для корректировки моментной кривой. Если задача стоит повысить мощность, как для спортивного мотора, то резонатор настраивают на падающий после максимума участок. Таким образом, продлевают момент на большие обороты. Мощность, как известно, произведение угловой скорости на вращающий момент. Если мы хотим получить более "тяговитый" мотор на низах, то настраиваем на растущий участок до максимума. Что касается шума, то этим занимается глушитель, расположенный как можно дальше, для того, чтобы снизить его влияние на резонансные свойства. Задача глушителя - только погасить звук многократным отражением в лабиринте или направить его в звукопоглощающий материал (стекловату, например), оказав как можно меньшее сопротивление потоку газов. Если обратиться к зарубежной практике, то выясняется, что специалисты в области выхлопных систем могут получить прибавку в мощности более 12 -15 лошадиных сил. Эта солидная прибавка мощности получается заменой всех частей выхлопной системы ("штаны", катализатор, резонатор, оконечная часть).