основы тюннинга двигателей - Форумы об автомобилях в России

основы тюннинга двигателей
взято по материалам http://moto.kiev.ua/
Для начала: Что такое тюнинг
Слово это сейчас на слуху, и предложение на рынке вроде бы соответствует спросу. Но тюнингом у нас
иногда называют просто установку всяких молдингов, кошмарного вида спойлеров и колесных
колпаков. Настоящий тюнинг (от английского tuning - настройка) - это доведение всех ХОДОВЫХ
качеств автомобиля до того уровня, который требуется его конкретному владельцу. Это и повышение
мощности двигателя, и изменения в трансмиссии, и настройка подвески, и много чего еще. Причем
часто одна переделка тянет за собой вторую, третью, и пошло-поехало - ведь в автомобиле все
взаимосвязано. В мотоцикле все точно также, посему разговор о двигателях и методах поднятия
мощности стандартного двигателя одинаково относится и к тем, и к другим.
Пути повышения мощности
1 Рабочий Объем
Самый простой способ повышения мощности двигателя - это увеличение его рабочего объема, т. н.
форсирование по литражу. Больше объем - больше смеси сгорает - выше мощность. Но "простой" в
данном случае следует понимать как логичный, понятный, эффективный, но никак не буквально,
поскольку переделывать или заменять при этом придется практически все основные детали, по
существу, создавая новый мотор. Повышенные механические нагрузки действуют в первую очередь на
детали цилиндропоршневой группы. И если блок цилиндров и коленвал имеют приличный запас
прочности, то другим деталям достается по первое число. Особенно страдают поршни и кольца. Им и
так приходится несладко, а тут резко возросшие ускорения из-за повышенных оборотов, большая
тепловая нагрузка (сгорает намного больше топлива), и главное - рост давления в цилиндрах. Из-за
этого поршни часто прогорают, не выдержав и одной десятой того срока службы, на который были
рассчитаны. В такой ситуации выход один: замена стандартных поршней на кованые, обладающие при
той же массе большей жесткостью и меньшим тепловым расширением. Из кованых (точнее,
изотермически штампованных) поршней среди профессионалов тюнинга хорошей репутацией
пользуются изделия немецких Mahle и Goetze, а также российского МАМИ. Экономить здесь не стоит из-за особенностей технологии производства эти детали требуют намного более тщательного теплового
расчета, нежели литые, и более дешевое изделие скорее всего заклинит. Имеет смысл установить
специальные поршневые кольца, имеющие большую долговечность, нежели стандартные. Особенно
хороши в этом смысле кольца L-образного сечения, обладающие лучшими уплотняющими свойствами
(правда, стоят они намного дороже) и позволяющие обойтись одним компрессионным кольцом, что
снизит потери на трение.
http://www.moto.kiev.ua/_advice/3414..._/cilinder.jpg
Стоит заметить, что один комплект поршень+кольца+палец от MAHLE стоит около 100 долларов (хотя
поршневой комплект для ВАЗовских моторов стоит около 400 гривен за 4 штуки - есть о чем
подумать!), но работать он будет, как говорится, на все деньги. Мне известен случай, когда новый
Днепровский поршень до прогара проехал аж 10 километров! О качестве запчастей нашего любимого
совкоцикла ходят целые легенды:-). Поэтому, на мой взгляд, все что можно поменять в этом моторе надо менять. Если интересует результат. Все ссылки далее - сугубо мое личное мнение, которое не
претендует на абсолютную истинность. Изначальной посылкой всех комментариев, применительно к
нашему народному Днепру - это попытки сделать мотор надежным, поскольку выдавливать из него
немыслимый табун лошадей вряд ли имеет смысл по причине изначальной хилости конструкции в
целом. Меняя поршни, прирост объема можно рассматривать как приятный бонус, не более того. Да,
против кубов не попрешь, но можно получить гораздо больший выигрыш за счет хорошей настройки
мотора в целом. Чем еще плохи родные поршни? Немыслимой по современным меркам толщиной
поршневых колец. Чем тоньше кольцо - тем эффективнее его работа. А наличие еще одного
маслосъемного кольца ставит крест на эффективности работы пары поршень/цилиндр.
Как правильно форсировать поршневой двигатель по объёму.
Увеличение объема двигателя внутреннего сгорания является самым простым способом поднять
моментные (в большей степени) и мощностные характеристики мотора. На рабочий объем влияет
диаметр цилиндра и ход поршня.
Первый вариант (более «народный» – т.к. дешевый) – расточка цилиндров под больший диаметр
поршня. Затратная часть – работы по расточке цилиндров, стоимость комплекта поршней и колец
большего диаметра.
Второй способ (более дорогой) – замена штатного коленчатого вала на другой, имеющий больший
радиус кривошипа – больше ход поршня – больше объём. Затратная часть – коленчатый вал, комплект
специальных поршней (или шатунов) под данный коленчатый вал (т.к. цилиндр имеет определенную
конечную высоту), поршневые кольца, ну и работы по расточке блока под заданный комплект поршней.
На удивление, рост рабочего объема поршневого двигателя не всегда самый выгодный способ
форсировки – иногда, в зависимости от того, что вы хотите получить от мотора, выгоднее доработать
головку блока цилиндров с установкой подходящего распределительного вала и после этих операций
«снять» большую мощность с вашего силового агрегата.
Естественно, чтобы возможности распределительного вала раскрылись в полную силу, необходима
доработка головки цилиндра – зачастую довольно серьезная – вплоть до перепрессовки седел и
установку клапанов бОльшего диаметра. Кроме того, нельзя забывать про впускные и выпускные
каналы, по которым топливно-воздушная смесь поступает в цилиндры, а отработанные газы
«вырываются» с большой скоростью – их необходимо дорабатывать, увеличивая до определенных
пределов их сечение, производя внутреннюю полировку и изменяя их профиль.
Конечно же, замена клапанов на любую б/ушную фирму - дело хорошее. Вот только с седлами
проблема. Делаются они отнюдь не из универсального нашего материала "сталь 3". И требования к
материалу седел и притирке клапанов - не пустой звон. А в бонусе, опять же, получим увеличенные
проходные сечения, а соответственно и меньшее сопротивление впуска/выпуска.
Кроме головки цилиндра , достаточно большое влияние на характер мотора оказывает содержимое и
«геометрия» блока цилиндров. Мы не будем обсуждать разные типы поршней и их форму, весовые
характеристики коленчатых валов, хотя бесспорно они вносят определенный вклад в характер будущего
мотора.
Облегчение всех движущихся частей кривошипно-шатунного механизма само по себе прибавку
мощности не даст. Другой вопрос, что мотор будет гораздо резвее откликаться на ручку газа. Однако
есть и минус. За счет меньшей инерционности мотор также будет и болезненнее относится к изменению
нагрузки. И еще момент. Динамическая балансировка коленвала у нас - это как погоня за красной
ртутью. Все говорят, но реального станка для такой балансировки никто не видел. (у нас)
Существует такое понятие, как отношение длины шатуна к ходу поршня, эта характеристика и сам
диаметр кривошипа коленчатого вала (ход поршня) существенно влияют на «дыхание» мотора: ведь по
своей сути, ДВС – это насос, который прокачивает через себя определенный объем смеси воздуха с
топливом за определенный промежуток времени.
В англоязычной литературе это соотношение именуется R/S – rod to stroke ratio, и ему уделяется
достаточно серьезное внимание при доработке моторов. Многие источники считают, что «золотой
серединой» является величина R/S, равная 1,75.
В Интернете вы сами можете при желании найти достаточно много выкладок и расчетов по геометрии,
например, моторов Honda, славящиеся отменными характеристиками. Вот для примера геометрия
легендарного мотора В16А (объем 1587 см. куб., мощность 160 л.с.; это первый «гражданский» мотор,
имеющий удельную мощность 100 лс\литр):
Длина шатуна: 134 мм Ход поршня: 77 мм Соотношение R/S: 1,74:1 (что как видим практически близко
к «золотой середине»)
Эффект большого R/S:
ЗА: Позволяет поршню дольше находиться в ВМТ, что обеспечивает лучшее горение топливной смеси,
т.е. более полное сгорание топливной смеси, более высокое давление на поршень после прохождения
ВМТ, более высокая температура в камере сгорания. В результате хороший момент на средних и
высоких оборотах.
Длинный шатун уменьшает трение пары «поршень-цилиндр», а это особенно важно при рабочем ходе
поршня.
ПРОТИВ: Мотор, собранный с достаточно большим значением R/S не обеспечивает хорошее
наполнение цилиндров на низких и средних частотах вращения КВ, из-за снижения скорости
воздушного потока (из-за уменьшения скорости движения поршня после ВМТ, в момент открытия
впускного клапана). Большая вероятность появления детонации из-за высокой температуры в камере
сгорания и длительного времени нахождения поршня в ВМТ.
Эффект малого R/S:
ЗА: Обеспечивает очень хорошую скорость наполнения цилиндров на низких и средних частотах
вращения КВ, так как скорость движения поршня от ВМТ больше, разряжение нарастает быстрее, что
улучшает наполнение цилиндров, более высокая скорость движения топливовоздушной смеси делает
смесь более гомогенной (однородной) что способствует лучшему сгоранию. преимущества: более
низкие требования к доработке и диаметрам каналов головки цилиндра, чем на моторе с высоким
соотношением R/S.
ПРОТИВ:
Малая величина R\S означает, больший угол наклона шатуна. Это значит, что большая сила будет
толкать поршень в горизонтальной плоскости. Для мотора это означает следующее:
1) Большая нагрузка на шатун (особенно на центр шатуна), что делает разрушение шатуна более
вероятным. Разрушение шатуна само по себе мало вероятно, кроме случаев обрыва, при заклинивании и
гидроударе, как правило, шатун рвется у верхней или нижней головки под углом приблизительно 45
градусов к оси шатуна.
2) Увеличение нагрузки на стенки блока цилиндров, большая нагрузка на поршни и кольца, увеличение
рабочей температуры вследствие повышенного трения, как результат, более быстрый износ стенок
цилиндра, колец, и ухудшении условий смазки. Износ этого участка зависит от величины смещения оси
пальца отн. оси поршня и от значения максимального угла наклона шатуна, т.е. при применении
"кованных" поршней со смещенным пальцем, износ будет меньше чем при применении стандартных
поршей.
3) Более короткий шатун также увеличивает скорость движения поршня, что влияет на износ и
увеличение трения. Максимальная скорость поршня приходится на угол около 80 градусов поворота
коленчатого вала от ВМТ.
Наиболее весомым является зависимость ускорения поршня от длины шатуна. Большие значения
ускорения положительно влияют на наполнение цилиндров на малых оборотах, что ведет к
«тяговитости» двигателя вследствие лучшего наполнения. Но на высоких оборотах из-за инерционности
потока во впускной трубе происходит эффект запирания на впускном клапане (т.е объем цилиндра над
поршнем растет быстрее, чем может заполняться через клапанную щель, что ведет к ухудшению
наполнения и мощностных характеристик на высоких оборотах). В случае длинного шатуна на малых
оборотах происходит обратный выброс смеси, но на высоких нет явления запирания.
Еще не стоит забывать, что «экстра ходы» поршня компенсируются увеличением высоты цилиндров,
или уменьшением компрессионной высоты поршня (смещением поршневого пальца вверх), которую
можно уменьшать до определенного предела.
Помимо замены поршней, колец и прочих связанных с ними деталей расточка блока подразумевает
корректировку формы и объема камер сгорания в головке - для того, чтобы они соответствовали
изменившимся габаритам и форме днищ поршней.
Кроме тупого метода применения грубой силы, коим является банальное увеличение рабочего объема,
увеличить эффективную мощность двигателя и повысить максимальные обороты его коленчатого вала,
что и называется форсировкой двигателя, можно двумя путями:
а) за счет повышения степени сжатия, улучшающего термический к.п.д.;
б) за счет увеличения наполнения цилиндров, повышающих среднее эффективное давление
2. Степень сжатия
По ходу дела можно "поджать" головку блока с помощью фрезерного или строгального станка. Этот
способ форсировки ограничивается антндетонационными свойствами существующих топлив, так что
пределом для повышения степени сжатия обычно является детонация, которая, создавая ударную
нагрузку на детали кривошипно-шатунного механизма, угрожает их механической прочности и
вызывает падение мощности. При повышении степени сжатия дополнительно вырастет и мощность, но
придется переходить на более высокооктановый бензин, а то и на другие виды топлива, о которых чуть позже. Возможность повышения степени сжатия двигателя, кроме того, в значительной мере
зависит от формы камеры сгорания и для разных конструкций неодинакова. Наилучшей формой камеры
принято считать полусферическую или шатровую. Поскольку очень маловероятно, что кто-либо из
пиляющих в гараже моторы в состоянии рассчитать форму камеры сгорания, единственным методом
останется метод научного тыка.
Ярчайшим примером из личного опыта является форсировка по объему двигателя ВАЗ-2108. Исходный
диаметр – 76мм. Объем – 1300 куб.см. Ставили поршни от ВАЗ-21011 диаметром 79 мм. Прирост
объема составлял почти 100 кубиков. Но! Изменялась форма камеры сгорания, которая образуется с
одной стороны – головкой блока цилиндров, а с другой – поршнем, точнее его дном. Вот тут то собака и
порылась. Донышки поршней 2108 и 21011 абсолютно разные. Практический результат: детонационная
стойкость такого мотора была явно ниже, и ресурс однозначно меньше. Справедливости ради надо
отметить, что прибавка в моще все-таки была, и на глаз заметная. Но ожидалось большего.
Повысив степень сжатия и обеднив топливную смесь, получим очень неплохой результат и в плане
экономичности мотора. Надо только не забывать, что температура сгорания бедной смеси выше,
поэтому надеяться на родные клапана вряд ли имеет смысл.
Ошибочно предполагать, что каждое последующее повышение степени сжатия на определенную
величину дает одинаковый прирост мощности. Наибольший выигрыш в мощности можно получить в
диапазоне степеней сжатия от 6 до 8; от 8 до 10 эффект будет уже меньшим и т. д.
3. Газообмен
Следующий этап форсировки двигателя уже требует некоторого механического вмешательства.
Например, можно заменить распредвал. Первый вариант - установить т. н. спортивный, с более острым
профилем кулачков. Такой профиль обеспечивает большую величину открытия клапанов, что улучшает
газообмен и, следовательно, повышает мощность. Правда, увеличиваются и нагрузки на механизм
газораспределения, тем более, что для предотвращения зависания клапанов (из-за резко
увеличивающихся ускорений) приходится ставить усиленные пружины. Поэтому, решившись на такую
переделку, будьте добры почаще проверять клапанные зазоры и менять цепь или ремень привода
распредвала. Да и из-за увеличившихся нагрузок на клапаны последние может запросто "оборвать"...
Более радикальная механическая переделка - расточка головки цилиндров. При этом увеличивают
проходные сечения впускных и выпускных каналов и устанавливают клапаны с увеличенным
диаметром тарелок. Из-за возрастания массы клапанов нагрузки на привод механизма
газораспределения, конечно, увеличиваются, но не в такой степени, как при непомерном увеличении
поднятия клапанов (спортивный распредвал). А с точки зрения эффективности этот способ поднятия
мощности превосходит описанный выше метод улучшения газообмена.
4.Фазы газораспределения
ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ -моменты открытия и закрытия впускных и выпускных органов
(клапанов, окон) поршневого двигателя внутреннего сгорания. Фазы газораспределения поршневого
двигателя обычно выражаются в углах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к
начальным или конечным моментам соответствующих тактов.
А вот ставить распредвал с резко расширенными фазами впуска-выпуска на машину "на каждый день",
наверное, не стоит. Дело даже не в значительном повышении расхода топлива из-за того, что фазы
впуска и выпуска накладываются друг на друга, в результате чего часть свежего заряда просто вылетает
в трубу. У такого двигателя резко увеличивается жесткость характеристики (особенно на это влияет
момент окончания фазы выпуска). В результате максимальная мощность возрастает, но "внизу" мотор
просто умирает, его надо постоянно крутить до максимума, а на обгонах приходится или переходить на
три передачи вниз, или жечь сцепление. Единственное, чем можно себя потешить - резким стартом с
дымом резины: у таких моторов настолько сумасшедший подхват, что на их фоне силовые агрегаты
BMW - спокойные, как у трактора. Согласитесь, что это небольшая компенсация за увеличенный
(иногда в два и более раз) расход бензина, снизившиеся надежность и ресурс, и необходимость
мириться с тем, что придется постоянно держать руку на рычаге коробки передач.
5. Чип-тюнинг
Самый простой способ - это так называемый чип-тюнинг. Название происходит от английского chip микросхема (не путать с почти так же звучащим словом cheap - дешевый, в тюнинге ничего дешевого не
бывает ). Пойти по этому пути можно, только если двигатель имеет впрыск с электронным
управлением. Никаких механических переделок не требуется, суть чип-тюнинга - в замене программы
блока управления двигателем путем перепрограммирования или замены микросхемы - чипа. При этом
изменяется алгоритм управления впрыском и опережением зажигания. Этим способом мощность
мотора можно поднять на 5-10%. Но не безболезненно - практикуемая в таких случаях отмена
ограничения максимальных оборотов ведет к повышению износа двигателя, а увеличение подачи
топлива на переходных режимах подразумевает увеличение его расхода. Наибольший эффект "чиптюнинг" дает на турбированных двигателях, особенно на турбодизелях, где есть возможность повысить
давление наддува. В карбюраторных двигателях повышения мощности можно добиться
соответствующей заменой жиклеров в карбюраторе. Последствия те же. Кроме того, при этом способе
увеличение мощности "на верхах" часто приводит к ее падению на "низах", а то и в "середине", которая
наиболее часто используется в повседневном передвижении на автомобиле.дополнительно облегчают
дыхание двигателю (пусть лишь на считанные проценты) специальные - настроенные - впускные и
выпускные системы. Дело в том, что воздух или топливная смесь на впуске и выхлопные газы на
выпуске движутся неравномерно - в коллекторах возникают пульсации давления, вызванные движением
поршней. Подбором длин и сечений труб можно добиться резонанса этих колебаний, который улучшает
наполнение и эвакуацию цилиндров двигателя и соответственно повышает мощность - отсюда и
название "резонансный наддув". Резонанс возникает лишь в узком диапазоне оборотов двигателя,
обычно коллектор настраивают на самые "верха", но иногда можно встретить системы, рассчитанные на
частоты вращения коленчатого вала, соответствующие максимальному значению крутящего момента.
Ни чип-тюнинг, ни т.н. спортивные распредвалы в нашем случае, понятное дело, не применимы:-))
Единственное, что можно сказать о клапанном механизма Днепра - это то, что все разговоры о
нормальности явления, когда после каждой поездки надо регулировать зазоры в приводе клапанов и это
нормально - я считаю, мягко говоря, .... несостоятельными. Это все вопрос сугубо качества материалов,
из которых изготолены детали. Не больше, и не меньше. Сальники клапанов не живут? Да прм таки. Не
надо забывать, что кроме внешней формы, импортный, например, Elring, и наш любимый совок не
имеют ничего общего. В мире полно машин с воздушным охлаждением, и сальники там не умирают.
Температура выше? А кто сказал, что температура головки в разных местах одинаковая? Главное, чтоб
сальник "умывался" маслом, и с температурой у него будет все в порядке.
Впуск
Выбор наилучшей конструкции впускного трубопровода и формы каналов, подводящих смесь к
цилиндрам, является трудной задачей. Она усложняется тем, что иногда приходится удовлетворять
самые противоречивые требования, решение которых возможно только опытным путем. Однако
форсировка серийного двигателя за счет изменения системы или схемы питания для улучшения
наполнения является наиболее доступной спортсменам областью работы. Основными требованиями к
впускному трубопроводу являются: а) длина впускного клапана от карбюратора до поршня для каждого
цилиндра должна быть одинаковой и по возможности короткой или специально подобранной для
использования инерции входящего потока. На рис. 1 приведена опытная кривая, показывающая длину
впускного тракта для различных скоростей вращения коленчатого вала. Длина тракта измеряется от н.
м. т. поршня в цилиндре до открытого конца карбюратора;
Рис1. Зависимость длины впускного трубопровода от скорости вращения коленчатого вала.
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image004.gif
б) форма трубопровода: диаметр, изгибы, углы и внутренняя поверхность каналов должны оказывать
наименьшее сопротивление потоку смеси, обеспечивать одинаковое качество по составу и равное
распределение смеси по цилиндрам, т. е. исключающее местное обеднение или обогащение;
в) перемены в направлении движения горючей смеси и встречные токи должны быть минимальными,
чтобы не вызывать инерционных потерь и отсасывания смеси от клапанов;
г) пульсация потока, вызываемая насосным действием поршней, должна быть по возможности с
равномерными интервалами. Полезно, чтобы начало очередного всасывания было в момент
инерционного подпора;
д) температура смеси в отдельных отводах трубопровода должна быть одинаковой.
Впускные трубопроводы могут быть с пологими и с прямоугольными изгибами. Пологие изгибы
создают меньшие сопротивления течению потока, но на поворотах вызывают смещение
неиспарившихся частиц топлива в смеси к крайним цилиндрам, что приводит к обеднению смеси в
ближе расположенных цилиндрах. Кроме того, при пологих изгибах нераспыленная часть топлива
может подтекать в ближайшие каналы, что также может вызывать неравномерное питание.
Прямоугольные повороты в трубопроводах с карманами устраняют эти явления, но создают большие
сопротивления течению смеси. Поэтому конструкция трубопровода по большей части является
результатом компромиссного решения. Последнее время у некоторых двигателей, в целях увеличения
наполнения цилиндров, стали применяться насадки, удлиняющие смесительную трубу (наиболее
простое средство изменения длины) для создания перед карбюратором инерционного подпора за счет
сформированного потока воздуха. Сечение впускных трубопроводов может быть круглым или
квадратным. Квадратное сечение применяется для увеличения поверхности испарения осаждающегося
топлива, а также для уменьшения склонности потока смеси к завихрениям по спирали (при длинном
трубопроводе) . Внутренние поверхности трубопровода и впускного капала блока должны быть
гладкими, желательно полированными. Диаметр впускного трубопровода выбирается в зависимости от
диаметра цилиндров и скорости поршня с таким расчетом, чтобы скорость потока горючей смеси, при
работе двигателя на полном дросселе, при максимальной мощности, не превышала 50 м/сек. Чтобы
увеличить плотность заряда, воздух, подводимый к впускным патрубкам карбюраторов, должен быть
достаточно холодным.
Выпуск
Конструкция выпускного трубопровода, влияя на степень очистки цилиндров от отработавших газов,
также оказывается связанной с наполнением цилиндров горючей смесью. Конструкция выпускного
трубопровода должна отвечать следующим требованиям:
а) скорость отработавших газов в выпускной трубе не должна быть выше 30—35 м/сек, для чего
диаметр трубы делают равным 0,5—0,6 диаметра цилиндра или 1,5 сечения впускного трубопровода;
б) выходящие отработавшие газы одного цилиндра не должны создавать противодавления для газа
другого (соседнего) по работе цилиндра, что может иметь место у многоцилиндровых двигателей,
имеющих такты большой продолжительности. Наиболее приемлемым для многооборотных двигателей
скоростных автомобилей является выпускной трубопровод с отдельными трубами для каждого
цилиндра. При этом желательно, чтобы непосредственно у блока цилиндров трубы имели прямое
направление и изгибались для соединения в общую трубу на некотором отдалении от блока.
Расположение выпускного трубопровода на двигателе должно исключать возможность подогрева
стенки блока.
Рис. 2. Зависимость длины выпускного трубопровода от скорости вращения коленчатого вала.
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image004.gif
На рис. 2 дана кривая зависимости длины отдельной выпускной трубы от скорости вращения
коленчатого вала двигателя. Длина трубы отсчитывается от в. м. т. поршня в цилиндре, а число
оборотов соответствует максимальной мощности.
Свой вклад в уменьшение сопротивления на впуске-выпуске, а значит, и в улучшение газообмена,
вносят специальные воздушные фильтры и глушители. Хорошо зарекомендовали себя
комбинированные (поролон+бумажный элемент+тканевая шторка) фильтры K&N и поролоновые со
специальной пропиткой - Twin Air. Последние хороши еще и тем, что помимо снижения сопротивления
обладают большей степенью фильтрации, в результате чего увеличивается срок службы мотора. Да и
срок службы такого фильтра больше, чем бумажного: засорился - снял, промыл бензином, заново полил
маслом - и вперед! К сожалению, улучшение газообмена приводит к повышению нагрузок на двигатель,
как механических, так и тепловых. Снизить последние можно улучшением теплообмена. Самый
простой способ - использование более густого масла - может помочь лишь в том случае, если мотор
прошел не самую глубокую доработку или если его работа в предельных режимах будет крайне редка.
В прочих же случаях приходится заменять радиаторы (масляный и водяной) на узлы с большей
теплорассеивающей способностью.
6. О настроенном выхлопе
Статья взята из журнала "Тюнинг" Санкт-Петербург. Александр Пахомов
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image003.jpg
У настроенных коллекторов - одинаковая длина патрубков каждого цилиндра (именно по этому
признаку их можно отличить от обычных коллекторов). Из-за этого такие узлы выглядят причудливым
переплетением труб, зачастую изготовленных из нержавеющей стали, а иногда и более экзотических
материалов. В последнее время считается особым шиком сохранять оставшиеся после сварки такого
сооружения цвета побежалости.
Едва ли не самая популярная тема во всех “курилках”, так или иначе связанных с тюнингом
автомобилей, – выпускные системы двигателей. По крайней мере, я чаще отвечаю на вопросы о
выхлопе, чем о клапанах, головках, коленвалах и прочих составляющих настройки двигателей. Причем
диапазон вопросов примерно следующий: от “скажите, а как применить формулу для вычисления
резонансной частоты (приводится соотношение для резонатора Гельмгольца) к четырехдроссельному
впуску?” до “мне друг подарил “паук” со своего спортивного “гольфа”. Сколько прибавится лошадиных
сил, если я его установлю на свой автомобиль?” или “ я строю себе мотор. Какой глушитель купить,
чтобы было больше мощности?”, или “сколько лошадиных сил прибавится, если я вместо катализатора
установлю резонатор?”. Причем во всех вопросах красной линией проходит добавочная мощность. ТАК
ДАВАЙТЕ ДЛЯ НАЧАЛА РАЗБЕРЕМСЯ, ГДЕ ЖЕ ЛЕЖИТ ЭТА ДОБАВОЧНАЯ МОЩНОСТЬ. И
ПОЧЕМУ ВЫПУСКНОЙ ТРАКТ ВЛИЯЕТ НА РАБОТУ МОТОРА.
Если мы все дружно понимаем, что мощность есть произведение вращающего момента на скорость
вращения коленчатого вала (обороты), то понятно, что мощность – зависимая от скорости величина.
Рассмотрим чисто теоретический двигатель (не важно, электрический он, внутреннего сгорания или
турбореактивный), который отдает постоянный вращающий момент на оборотах от 0 до бесконечности.
(кривая 2 на рис. 1) Тогда его мощность будет линейно расти с оборотами от 0 до бесконечности
(кривая 1 на рис. 1).
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image004.gif
Предмет нашего интереса – четырехтактные многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания в силу
конструкции и процессов, в них происходящих, имеют рост момента с увеличением оборотов до его
максимальной величины, и с дальнейшим увеличением оборотов момент сновападает (кривая 3 на рис.
1). Тогда и мощность будет иметь аналогичный вид (кривая 4 на рис. 1). Важным обстоятельством для
понимания функций выпускной системы является связь вращающего момента с коэффициентом
наполнения цилиндра. Давайте себе представим процесс, происходящий в цилиндре в фазе впуска.
Предположим, коленчатый вал двигателя вращается настолько медленно, что мы можем наблюдать
движение топливовоздушной смеси в цилиндре и в любой момент времени давление во впускном
трубопроводе и цилиндре успевает выравниваться. Предположим, что вверхней мертвой точке (ВМТ)
давление в камере сгорания равно атмосферному. Тогда при движении поршня из ВМТ в нижнюю
мертвую точку (НМТ) в цилиндр попадет количество свежей топливовоздушной смеси, точно равное
объему цилиндра. Говорят, что в таком случае коэффициент наполнения равен единице. Предположим,
что в вышеописанном процессе мы закроем впускной клапан в положении поршня, соответствующем
80% его хода. Тогда мы наполним цилиндр только на 80% его объема и масса заряда составит
соответственно 80%. Коэффициент наполнения в таком случае будет 0.8. Другой случай. Пусть
некоторым образом нам удалось во впускном коллекторе создать давление на 20% выше атмосферного.
Тогда в фазе впуска мы сможем наполнить цилиндр на 120% по массе заряда, что будет соответствовать
коэффициенту наполнения 1.2. Так, теперь самое главное. Вращающий момент двигателя совершенно
точно на кривой момента соответствует коэффициенту наполнения цилиндра. То есть вращающий
момент там выше, где коэффициент наполнения выше, и ровно во столько же раз, если, конечно, мы не
учитываем внутренние потери в двигателе, которые растут со скоростью вращения. Из этого понятно,
что кривую момента и, соответственно, кривую мощности определяет зависимость коэффициента
наполнения от оборотов. У нас есть возможность влиять в некоторых пределах на зависимость
коэффициента наполнения от скорости вращения двигателя с помощью изменения фаз
газораспределения. В общем случае, не вдаваясь в подробности, можно сказать, что чем шире фазы и
чем в более раннюю по отношению к коленчатому валу область мы их сдвигаем, тем на больших
оборотах будет достигнут максимум вращающего момента. Абсолютное значение максимального
момента при этом будет немного меньше, чем с более узкими фазами (кривая 5 на рис. 1).
Существенное значение имеет так называемая фаза перекрытия. Дело в том, что при высокой скорости
вращения определенное влияние оказывает инерция газов в двигателе. Для лучшего наполнения в конце
фазы выпуска выпускной клапан надо закрывать несколько позже ВМТ, а впускной открывать намного
раньше ВМТ. Тогда у двигателя появляется состояние, когда в районе ВМТ при минимальном объеме
над поршнем оба клапана открыты и впускной коллектор сообщается с выпускным через камеру
сгорания. Это очень важное состояние в смысле влияния выпускной системы на работу двигателя.
Теперь, я думаю, пора рассмотреть функции выпускной системы. Сразу скажу, что в выпускной системе
присутствует три процесса. Первый – сдемпфированное в той или иной степени истечение газов по
трубам. Второй – гашение акустических волн с целью уменьшения шума. И третий – распространение
ударных волн в газовой среде. Любой из названных процессов мы будем рассматривать с позиции его
влияния на коэффициент наполнения. Строго говоря, нас интересует давление в коллекторе у
выпускного клапана в момент его открытия. Понятно, что чем меньшее давление, а лучше даже ниже
атмосферного, удастся получить, тем больше будет перепад давления от впускного коллектора к
выпускному, тем больший заряд получит цилиндр в фазе впуска. Начнем с достаточно очевидных
вещей. Выпускная труба служит для отвода выхлопных газов за пределы кузова автомобиля.
Совершенно понятно, что она не должна оказывать существенного сопротивления потоку. Если по
какой то причине в выпускной трубе появился посторонний предмет, закрывающий поток газов
(например, соседи пошутили и засунули в выхлопную трубу картошку), то давление в выпускной трубе
не будет успевать падать, и в момент открытия выпускного клапана давление в коллекторе будет
противодействовать очистке цилиндра. Коэффициент наполнения упадет, так как оставшееся большое
количество отработанных газов не позволит наполнить цилиндры в прежней степени свежей смесью.
Соответственно, двигатель не сможет вырабатывать прежний вращающий момент. Весьма важно
понимать, что размеры трубы и конструкция глушителей шума в серийном автомобиле достаточно
хорошо соответствуют количеству отработанных газов, вырабатываемых двигателем в единицу
времени. Как только серийный двигатель подвергся изменениям с целью увеличения мощности (будь то
увеличение рабочего объема или увеличение момента на высоких оборотах), сразу увеличивается
расход газа через выпускную трубу и следует ответить на вопрос, а не создает ли теперь в новых
условиях избыточного сопротивления серийная выпускная система. Так что из рассмотрения первого
процесса, обозначенного нами, следует сделать вывод о достаточности размеров труб. Совершенно
понятно, что после некоторого разумного размера увеличивать сечение труб для конкретного двигателя
бессмысленно, улучшения не будет. А отвечая на вопрос, где же мощность, можно сказать, что тут
главное не потерять, прибрести же ничего невозможно. Из практики могу сказать, что для двигателя
объемом 1600 куб. см, имеющего хороший вращающий момент до 8000 об./мин., вполне достаточно
трубы диаметром 52 мм. Как только мы говорим о сопротивлении в выпускной системе, необходимо
упомянуть о таком важном элементе, как глушитель шума. Так как в любом случае глушитель создает
сопротивление потоку, то можно сказать, что лучший глушитель – полное его отсутствие. К сожалению,
для дорожного автомобиля это могут себе позволить только отчаянные хамы. Борьба с шумом – это, как
ни верти, забота о нашем с вами здоровье. Не только в повседневной жизни, но и в автоспорте
действуют ограничения на шум, производимый двигателем автомобиля. Должен сказать, что в
большинстве классов спортивных автомобилей шум выпуска ограничен уровнем 100 дб. Это довольно
лояльные условия, но без глушителя ни один автомобиль не будет соответствовать техтребованиям и не
сможет быть допущенным к соревнованиям. Поэтому выбор глушителя – всегда компромисс между его
способностью поглощать звук и низким сопротивлением потоку. ТЕПЕРЬ, НАВЕРНОЕ, СЛЕДУЕТ
ПРЕДСТАВИТЬ СЕБЕ, КАКИМ ОБРАЗОМ ЗВУК ГАСИТСЯ В ГЛУШИТЕЛЕ. Акустические волны
(шум) несут в себе энергию, которая возбуждает наш слух. Задача глушителя состоит в том, чтобы
энергию колебаний перевести в тепловую. По способу работы глушители надо разделить на четыре
группы. Это ограничители, отражатели, резонаторы и поглотители.
ОГРАНИЧИТЕЛЬ
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image007.jpg
Принцип его работы прост. В корпусе глушителя имеется существенное заужение диаметра трубы,
некое акустическое сопротивление, а за ним сразу большой объем, аналог емкости. Продавливая через
сопротивление звук, мы колебания сглаживаем объемом. Энергия рассеивается в дросселе, нагревая газ.
Чем больше сопротивление (меньше отверстие), тем эффективней сглаживание. Но тем больше
сопротивление потоку. Наверное, плохой глушитель. Однако в качестве предварительного глушителя в
системе – довольно распространенная конструкция.
ОТРАЖАТЕЛЬ
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image008.jpg
В корпусе глушителя организуется большое количество акустических зеркал, от которых звуковые
волны отражаются. Известно, что при каждом отражении часть энергии теряется, тратится на нагрев
зеркала. Если устроить для звука целый лабиринт из зеркал, то в конце концов мы рассеем почти всю
энергию и наружу выйдет весьма ослабленный звук. По такому принципу строятся пистолетные
глушители. Значительно лучшая конструкция, однако так как в недрах корпуса мы заставим также
газовый поток менять направление, то все равно создадим некоторое сопротивление выхлопным газам.
Такая конструкция чаще всего применяется в оконечных глушителях стандартных систем.
РЕЗОНАТОР
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image009.jpg
Глушители резонаторного типа используют замкнутые полости, расположенные рядом с трубопроводом
и соединенные с ним рядом отверстий. Часто в одном корпусе бывает два не равных объема,
разделенных глухой перегородкой. Каждое отверстие вместе с замкнутой полостью является
резонатором, возбуждающим колебания собственной частоты. Условия распространения резонансной
частоты резко меняются, и она эффективно гасится вследствие трения частиц газа в отверстии. Такие
глушители эффективно в малых размерах гасят низкие частоты и применяются в основном в качестве
предварительных, первых в выпускных системах. Существенного сопротивления потоку не оказывают,
т.к. сечение не уменьшают.
ПОГЛОТИТЕЛЬ
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image010.jpg
Способ работы поглотителей заключается в поглощении акустических волн неким пористым
материалом. Если мы звук направим, например, в стекловату, то он вызовет колебания волокон ваты и
трение волокон друг о друга. Таким образом, звуковые колебания будут преобразованы в тепло.
Поглотители позволяют построить конструкцию глушителя без уменьшения сечения трубопровода и
даже без изгибов, окружив трубу с прорезанными в ней отверстиями слоем поглощающего материала.
Такой глушитель будет иметь минимально возможное сопротивление потоку, однако и хуже всего
снижает шум.
Надо сказать, что серийные выпускные системы используют в большинстве случаев различные
комбинации всех приведенных способов. Глушителей в системе бывает два, а иногда и больше. Следует
обратить внимание на особенность конструкций глушителей, которая в случае самостоятельного
изготовления не позволяет достичь эффективного снижения шума, хотя кажется, что все сделано
правильно. Если внутри глушителя у его стенок нет поглощающего материала, то источником звука
становятся стенки корпуса. Многие замечали, что некоторые глушители имеют снаружи асбестовую
обкладку, прижатую дополнительным листом фальшкорпуса. Это и есть та мера, которая позволит
ограничить излучение через стенки и предотвратить нагрев соседних элементов автомобиля. Такая мера
характерна для глушителей первого и второго типов. Есть еще одно обстоятельство, которое нельзя
обойти вниманием в статье о тюнинге. Это тембр звука. Часто пожелания клиента к тюнинговой
компании состоят в том, чтобы посредством замены глушителя добиться “благородного” звучания
мотора. Надо заметить, что если требования к выпускной системе не распространяются дальше
изменения “голоса”, то за дача существенно упрощается. Можно сказать, что, вероятнее всего, для
таких целей больше подходит глушитель поглотительного типа. Его объем, количество набивки, а
также сама набивка определяют спектр частот, интенсивно поглощаемых. Практически любая мягкая
набивка поглощает в большей степени высокочастотную составляющую, придавая бархатистость звуку.
Глушители резонаторного типа гасят низкие частоты. Таким образом, варьируя размеры, содержимое и
набор элементов, можно подобрать тембр звучания.
Первым необходимым условием дозарядки цилиндров с помощью ударных волн надо назвать
существование достаточно широкой фазы перекрытия. Строго говоря, нас интересует не столько сама
ширина фазы как геометрическая величина, сколько интервал времени, когда оба клапана открыты. Без
особых разъяснений понятно, что при постоянной фазе с увеличением скорости вращения время
уменьшается. Из этого автоматически следует, что при настройке выпускной системы на определенные
обороты одним из варьируемых параметров будет ширина фазы перекрытия. Чем выше обороты
настройки, тем шире нужна фаза. Из практики можно сказать, что фаза перекрытия менее 70 градусов
не позволит иметь заметный эффект, а значение для настроенных на обычные 6000 об/мин систем
составляет 80 – 90 градусов.
Второе условие уже определили. Это необходимость вернуть к выпускному клапану ударную волну.
Причем в многоцилиндровых двигателях вовсе необязательно возвращать ее в тот цилиндр, который ее
сгенерировал. Более того, выгодно возвращать ее, а точнее, использовать в следующем по порядку
работы цилиндре. Дело в том, что скорость распространения ударных волн в выпускных трубах – есть
скорость звука. Для того чтобы возвратить ударную волну к выпускному клапану того же цилиндра,
предположим, на скорости вращения 6000 об/мин, надо расположить отражатель на расстоянии
примерно 3,3 метра. Путь, который пройдет ударная волна за время двух оборотов коленчатого вала при
этой частоте, составляет 6,6 метра. Это путь до отражателя и обратно. Отражателем может служить,
например, резкое многократное увеличение площади трубы. Лучший вариант – срез трубы в атмосферу.
Или, наоборот, уменьшение сечения в виде конуса, сопла Лаваля или, совсем грубо, в виде шайбы.
Однако мы договорились, что различные элементы, уменьшающие сечение, нам неинтересны. Таким
образом, настроенная на 6000 об/мин выпускная система предполагаемой конструкции для, например,
четырехцилиндрового двигателя будет выглядеть как четыре трубы, отходящие от выпускных окон
каждого цилиндра, желательно прямые, длиной 3,3 метра каждая. У такой конструкции есть целый ряд
существенных недостатков. Вопервых, маловероятно, что под кузовом, например, Гольфа длиной 4
метра или даже Ауди А6 длиной 4,8 метра возможно разместить такую систему. Опять же, глушитель
все-таки нужен. Тогда мы должны концы четырех труб ввести в банку достаточно большого объема, с
близкими к открытой атмосфере акустическими характеристиками. Из этой банки надо вывести
газоотводную трубу, которую необходимо оснастить глушителем. Короче, такого типа система для
автомобиля не подходит. Хотя справедливости ради надо сказать, что на двухтактных
четырехцилиндровых мотоциклетных моторах для кольцевых гонок она применяется. Для двухтактного
мотора, работающего на частоте выше 12 000 об/мин, длина труб сокращается более чем в четыре раза и
составляет примерно 0,7 метра, что вполне разумно даже для мотоцикла.
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image011.gif
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image012.gif
Рис. 1 Виды настроенных коллекторов
А – первичная труба
В – вторичная труба
Вернемся к нашим автомобильным двигателям. Сократить геометрические размеры выпускной
системы, настроенной на те же 6000 об/мин, вполне можно, если мы будем использовать ударную волну
следующим по порядку работы цилиндром. Фаза выпуска в нем наступит для трехцилиндрового мотора
через 240 градусов поворота коленчатого вала, для четырехцилиндрового – через 180 градусов, для
шестицилиндрового – через 120 и для восьмицилиндрового – через 90. Соответственно, интервал
времени, а следовательно, и длина отводящей от выпускного окна трубы пропорционально уменьшается
и для, например, четырехцилиндрового двигателя сократится в четыре раза, что составит 0,82 метра.
Стандартное в таком случае решение – всем известный и желанный «паук». Конструкция его проста.
Четыре так называемые первичные трубы, отводящие газы от цилиндров, плавно изгибаясь и
приближаясь друг к другу под небольшим углом, соединяются в одну вторичную трубу, имеющую
площадь сечения в два-три раза больше, чем одна первичная. Длина от выпускных клапанов до места
соединения нам уже известна – для 6000 об/мин примерно 820 мм. Работа такого «паука» состоит в том,
что следующий за ударной волной скачок разрежения, достигая места соединения всех труб, начинает
распространяться в обратном направлении в остальные три трубы. В следующем по порядку работы
цилиндре в фазе выпуска скачок разрежения выполнит нужную для нас работу.
Тут надо сказать, что существенное влияние на работу выпускной системы оказывает также длина
вторичной трубы. Если конец вторичной трубы выпущен в атмосферу, то импульсы атмосферного
давления будут распространяться во вторичной трубе навстречу импульсам, сгенерированным
двигателем. Суть настройки длины вторичной трубы состоит в том, чтобы избежать одновременного
появления в месте соединения труб импульса разрежения и обратного импульса атмосферного
давления. На практике длина вторичной трубы слегка отличается от длины первичных труб. Для
систем, которые будут иметь дальше глушитель, на конце вторичной трубы необходимо разместить
максимального объема и максимальной площади сечения банку с поглощающим покрытием внутри.
Эта банка должна как можно лучше воспроизводить акустические характеристики бесконечной
величины воздушного пространства. Следующие за этой банкой элементы выпускной системы, т.е.
трубы и глушители, не оказывают никакого воздействия на резонансные свойства выпускной системы.
Их конструкцию, влияние на сопротивление потоку, на уровень и тембр шума мы уже обсудили. Чем
ниже избыточное давление они обеспечат, тем лучше.
Итак, мы уже рассмотрели два варианта построения настроенной на определенные обороты выпускной
системы, которая за счет дозарядки цилиндров на оборотах резонанса увеличивает вращающий момент.
Это четыре отдельные для каждого цилиндра трубы и так называемый «паук» «четыре в один». Следует
также упомянуть о варианте «два в один – два в один» или «два Y», который наиболее часто
встречается в тюнинговых автомобилях, так как легко компонуется в стандартные кузова и не слишком
сильно отличается по размерам и форме от стандартного выпуска. Устроен он достаточно просто.
Сначала трубы соединяются попарно от первого и четвертого цилиндров в одну и второго и третьего в
одну как цилиндров, равноотстоящих друг от друга на 180 градусов по коленчатому валу. Две
образовавшиеся трубы также соединяются в одну на расстоянии, соответствующем частоте резонанса.
Расстояние измеряется от клапана по средней линии трубы. Попарно соединяющиеся первичные трубы
должны соединяться на расстоянии, составляющем треть общей длины. Один из часто встречающихся
вопросов, на которые приходится отвечать, это какой «паук» предпочесть. Сразу скажу, что ответить на
этот вопрос однозначно нельзя. В некоторых случаях стандартный выпускной коллектор со стандартной
приемной трубой работает абсолютно так же. Однако сравнить упомянутые три конструкции,
несомненно, можно. Тут надо обратиться к такому понятию, как добротность. Постольку, поскольку
настроенный выпуск суть есть колебательная система, резонансные свойства которой мы используем,
то понятно, что ее количественная характеристика – добротность – вполне может быть разной. Она
действительно разная. Добротность показывает, во сколько раз амплитуда колебаний на частоте
настройки больше, чем вдали от нее. Чем она выше, тем больший перепад давления мы можем
использовать, тем лучше наполним цилиндры и, соответственно, получим прибавку момента. Так как
добротность – энергетическая характеристика, то она неразрывно связана с шириной резонансной зоны.
Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что если мы получим большой выигрыш по моменту, то
только в узком диапазоне оборотов для высокодобротной системы. И наоборот, если диапазон
оборотов, в котором достигается улучшение, велик, то по величине выигрыш незначительный, это
низкодобротная система. На рис 2 по вертикальной оси отложено давление – разрежение, получаемое в
районе выпускного клапана, а по горизонтальной оси – обороты двигателя. Кривая 1 характерна для
высокодобротной системы. В нашем случае это четыре раздельные трубы, настроенные на 6000 об/мин.
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image014.gif
Первый. Так как вращающий момент пропорционален перепаду давления, то наибольший прирост даст
высокодобротная система номер один. Однако в узком диапазоне оборотов. Настроенный двигатель с
такой системой будет иметь ярко выраженный «подхват» в зоне резонанса. И совершенно никакой на
других оборотах. Так называемый однорежимный или «самолетный» мотор. Такой двигатель, скорее
всего, потребует многоступенчатую трансмиссию. Реально такие системы в автомобилях не
применяются. Система второго типа имеет более «сглаженный» характер, используется в основном для
кольцевых гонок. Рабочий диапазон оборотов гораздо шире, провалы меньше. Но и прирост момента
меньше. Таким образом настроенный двигатель тоже не подарок, об эластичности и мечтать не
приходится. Однако если главное – высокая скорость при движении, то под такой режим будет
подстроена и трансмиссия, и пилот освоит способы управления. Система третьего типа еще ровнее.
Диапазон рабочих оборотов достаточно широкий. Плата за такую покладистость – еще меньшая
добавка момента, которую можно получить при правильной настройке. Такие системы используются
для ралли, в тюнинге для дорожных автомобилей. То есть для тех автомобилей, которые ездят с частой
сменой режимов движения. Для которых важен ровный вращающий момент в широком диапазоне
оборотов.
Второй. Как всегда, бесплатных пряников не бывает. На вдвое меньших от резонансной частоты
оборотах фаза отраженной волны повернется на 180 градусов, и вместо скачка разрежения в фазе
перекрытия к выпускному клапану будет приходить волна давления, которая будет препятствовать
продувке, то есть сделает желаемую работу наоборот. В результате на вдвое меньших оборотах будет
провал момента, причем чем большую добавку мы получим вверху, тем больше потеряем внизу. И
никакими настройками системы управления двигателем невозможно скомпенсировать эту потерю.
Останется только мириться с этим фактом и эксплуатировать мотор в том диапазоне, который можно
признать «рабочим».
Однако человечество придумало несколько способов борьбы с этим явлением. Один из них–
электронноуправляемые заслонки около выходных отверстий в головке. Суть их работы состоит в том,
что на низкой кратной частоте заслонка перегораживает частично выхлопной канал, препятствуя
распространению ударных волн и тем самым разрушая ставший вредоносным резонанс. Выражаясь
более точно, во много раз уменьшая добротность. Уменьшение сечения из-за прикрытых заслонок на
низких оборотах не столь важно, так как генерируется небольшое количество выхлопных газов. Второй
способ – применение так называемых коллекторов «A.R.». Их работа состоит в том, что они оказывают
небольшое сопротивление потоку, когда давление в коллекторе меньше, чем у клапана, и увеличивают
сопротивление, когда ситуация обратная. Третий способ – несовпадение отверстий в головке и
коллекторе. Отверстие в коллекторе большего размера, чем в головке, совпадающее по верхней кромке
с отверстием в головке и не совпадающее примерно на 1 – 2 мм по нижней. Суть та же, что и в случае с
«A.R.»-конусом. Из головки в трубу – «по шерсти», обратно – «против шерсти».
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image014.gif
Два последних варианта нельзя считать исчерпывающими ввиду того, что «по шерсти» все-таки
несколько хуже, чем гладкие трубы. В качестве лирического отступления могу сказать, что
несовпадение отверстий – стандартное простое решение для многих серийных моторов, которое
почему-то многие «тюнингаторы» считают дефектом поточного производства.
Третий. Следствие второго. Если мы настроим выпускную систему на резонансную частоту, например
4000 об/мин, то на 8000 об/мин получим вышеописанный «провал», если на этих оборотах система
окажется работоспособной. Немаловажный аспект при рассмотрении работы настроенного выпуска –
это требования к его конструкции с точки зрения акустических свойств. Первое и самое важное – в
системе не должно быть других отражающих элементов, которые породят дополнительные резонансные
частоты, рассеивающие энергию ударной волны по спектру. Это значит, что внутри труб должны
отсутствовать резкие изменения площади сечения, выступающие внутрь углы и элементы соединения.
Радиусы изгиба должны быть настолько большими, насколько позволяет компоновка мотора в
автомобиле. Все расстояния по средней линии трубы от клапана до места соединения должны быть по
возможности одинаковыми.
Второе важное обстоятельство состоит в том, что ударная волна несет в себе энергию. Чем выше
энергия, тем большую полезную работу мы можем от нее получить. Мерой энергии газа является
температура. Поэтому все трубы до места их соединения лучше теплоизолировать. Обычно трубы
обматывают теплостойким, как правило, асбестовым материалом и закрепляют его на трубе с помощью
бандажей или стальной проволоки.
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image015.gif
Раз уж сейчас говорим о конструкции выпускной системы, нужно упомянуть о таком элементе
конструкции, как гибкие соединения. Дело в том, что для переднеприводных автомобилей с поперечно
расположенным силовым агрегатом существует проблема компенсации перемещений мотора
относительно кузова. Так как опоры двигателя при такой компоновке принимают на себя весь
реактивный момент от приводных валов ведущих колес, крены силового агрегата относительно кузова в
продольном направлении могут иметь значительную величину. Конечно, величина отклонения сильно
зависит от жесткости опор, однако нередко перемещения головки блока достигают величины 20 – 50 мм
при переходе от торможения двигателем к разгону на низших передачах. В случае, если мы не позволим
выпускной системе свободно изгибаться и сделаем ее абсолютно жесткой, конец глушителя должен
будет совершать колебания вверх-вниз с амплитудой 500 – 600 мм, что определенно превышает
разумную величину дорожного просвета значительной части автомобилей. Если мы попытаемся в таком
случае закрепить трубу за кузов, то подвеска глушителя начнет играть роль дополнительной опоры
силового агрегата и принимать на себя реактивный момент ведущих колес. В результате или
непрерывно будут рваться подвесные элементы выпускной системы, или ломаться трубы. Для того
чтобы избавиться от такого нежелательного явления, применяют гибкие соединения между трубами
выпускной системы, позволяя приемной трубе перемещаться вместе с мотором, а всей остальной
системе оставаться параллельной кузову. Есть несколько конструкций, позволяющих решить эту
задачу. Две самые распространенные – гофрированная гибкая труба или шаровое соединение в виде
полусферической шайбы с поджатой пружинами к ней ответной части. Гибкое соединение располагают
как можно ближе к оси поворота силового агрегата на опорах, чтобы уменьшить перемещение труб
относительно кузова. Для настроенных выпускных систем шаровое соединение предпочтительно.
Внутренняя поверхность гофрированной вставки искажает форму трубы, что приводит к появлению
паразитных частот резонанса. В качестве лирического отступления следует упомянуть, что для
автомобилей такой компоновки при увеличении мощности в результате доработок двигателя и как
следствие увеличения момента на передней ведущей оси, стандартные опоры силового агрегата
окажутся перегруженными и позволят «прыгать» двигателю в подкапотном пространстве с размахом,
вполне вероятно превышающим разумные пределы.
http://www.moto.kiev.ua/_people/_438...3/image016.gif
Коллектор «A.R.». Его работа состоит в том, что он оказывает небольшое сопротивление потоку, когда
давление в коллекторе меньше, чем у клапана, и увеличивает сопротивление, когда ситуация обратная.
Теперь, после того как стали ясны процессы, происходящие в выпускной системе, вполне можно
перейти к практическим рекомендациям по настройке выпускных систем. Сразу скажу, что в такой
работе нельзя полагаться на свои ощущения и необходимо «вооружиться» измерительной системой.
Измерять она должна прямым или косвенным методом обязательно как минимум два параметра –
вращающий момент и обороты двигателя. Совершенно понятно, что лучший прибор –
динамометрический стенд для двигателя. Обычно поступают следующим образом. Для
подготовленного к испытаниям двигателя изготавливают экспериментальную выпускную систему. Так
как мотор на стенде и нет ограничений в конфигурации труб из-за отсутствующего кузова, самые
простые формы вполне применимы. Экспериментальная система должна быть удобной и максимально
гибкой для изменения ее состава и длин труб. Хороший и быстрый результат дают различного рода
телескопические вставки, позволяющие менять длины элементов в разумных пределах. Если вы хотите
добиться от вашей силовой установки максимальных параметров, вы должны быть готовы выполнить
значительное количество экспериментов. Математический расчет и «попадание в яблочко» с первого
раза исключите из рассмотрения, как событие чрезвычайно маловероятное. Его можно использовать как
«приземление в заданном районе». Некоторую уверенность в том, что вы недалеко от истины, дают
опыт и предыдущие эксперименты с аналогичными по характеристикам моторами, у которых были
получены хорошие результаты.
Тут, вероятно, надо остановиться и ответить на вопрос, а на какую частоту надо настраивать выпускную
систему. Для этого надо определить цель. Постольку, поскольку в самом начале статьи мы решили, что
будем добиваться максимальной мощности, то лучший в этом смысле вариант, если мы получим
прирост момента на том участке моментной кривой, где коэффициент наполнения, а следовательно, и
момент начинают существенно падать из-за высокой скорости вращения, т.е. мощность перестанет
расти. Тогда небольшое приращение момента даст существенный выигрыш в мощности. (См. рис.3) Для
того чтобы узнать эту частоту, необходимо как минимум иметь моментную кривую двигателя с
ненастроенным выхлопом, т.е., например, со стандартным коллектором, открытым в атмосферу.
Конечно, такие эксперименты весьма шумные и, извините за грубое слово, вонючие, однако
необходимые. Некоторые меры по защите органов слуха и хорошая вентиляция позволят получить
необходимые данные. Затем, когда нам станет известна частота настройки, нагружаем двигатель так,
чтобы обороты стабилизировались в нужной точке кривой при на 100% открытом дросселе.
Теперь можно начинать экспериментировать с различными приемными трубами. Цель – подобрать
такую приемную трубу или «паук», а точнее ее длину, чтобы получить прирост момента на нужной
частоте. При попадании в нужную точку динамометр сразу отзовется увеличением измеряемой силы.
Быстрее всего результат будет получен, если использовать телескопические трубы и менять длину на
работающем и нагруженном двигателе. Меры безопасности будут нелишними, так как присутствует
вероятность ожога, да и работающий с полной нагрузкой двигатель опасен в смысле разрушения.
Известны случаи, когда при аварии обломки блока цилиндров пробивали кузов автомобиля и влетали в
кабину водителя. После того как будет найдена конфигурация «паука», можно приступать к настройке
вторичной трубы аналогичным образом. Как я уже говорил, влияние всех остальных элементов
выпускной системы сводится к тому, чтобы не потерять уже достигнутого. Поэтому достаточно
планируемые к установке в автомобиль трубы и глушитель пристыковать к найденным и настроенным
первым двум элементам и убедиться, что настройки сохранились или существенно не ухудшились.
Далее можно уже приступать к проектированию и изготовлению рабочей системы, которая будет
соответствовать автомобилю и разместится в предназначенном для нее туннеле кузова. Должен сказать,
что работа очень большая и маловероятно, что может быть выполнена без специального оборудования.
Кроме того, необходимо иметь в виду, что на параметры настройки выпускной системы оказывают
влияние многие факторы. Известный авторитет в области спортивных моторов в США Smokey Yunick
считает, что совместной настройке подлежит выпускная система, впускные и выпускные каналы
головки, форма камеры сгорания, фазы газораспределения (распредвал), фазировка двигателя, впускной
коллектор, система питания и система зажигания. Он утверждает, что любое изменение в одной из
названных компонент обязательно влечет за собой перенастройку всех остальных для того, чтобы в
худшем случае не навредить, а в лучшем достичь большей эффективности мотора. Как минимум
понятно, что в фазе перекрытия, когда настроенная выпускная система выполняет полезную работу, мы
имеем дело со сквозным потоком газов из впускного в выпускной коллектор через камеру сгорания.
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 (читай – серийных) настройка впускного коллектора, пожалуй, единственный
способ получить резонансный наддув.
Пару слов хотелось бы сказать о разнице в настройке впрыскного и карбюраторного моторов.
Во-первых, у впрыскного мотора конструкция впускного коллектора может быть любая, так как мы не
связаны 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 помочь
уменьшить на этих оборотах вредное влияние обратной волны, не говоря уже об управлении теми
заслонками на выхлопе, которые уже упоминались.
И в-третьих, 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.
Ради справедливости надо сказать, что 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. Есть еще один прием, позволяющий повысить эффективность выпускной
системы. Применяется он в основном в тюнинге, так как при определенных эстетических наклонностях
конструктора позволяет создать броский внешний вид автомобиля. Где-нибудь, как минимум на
фотографиях авто американских любителей, вы наверняка видели автомобили с поднятыми из-под
заднего бампера чуть ли не до крыши концами выпускных труб. Идея такой конструкции состоит в том,
что при движении за задним срезом автомобиля создается «воздушный мешок», или зона разрежения.
Если найти то место, где разрежение максимально, и конец выхлопной трубы поместить в эту точку, то
уровень статического давления внутри выпускной системы мы понизим. Соответственно статический
уровень давления у выпускного клапана упадет на ту же величину. Постольку, поскольку коэффициент
наполнения тем выше, чем ниже давление у выпускного клапана, такое решение можно считать
удачным.
В заключение хочу сказать, что при кажущейся простоте установка другой, отличной от серийной
выпускной системы, как бы она ни была похожа на то, что применяется в спорте, вовсе не гарантирует
вашему автомобилю дополнительных лошадиных сил. Если у вас нет возможности провести настройки
для вашего конкретного варианта мотора, то самый разумный путь состоит в том, что вы купите полный
комплект комплектующих для доработки мотора у того, кто эти испытания уже выполнил и заранее
знает результат. Вероятно, комплект должен включать в себя как минимум распредвал, впускной и
выпускной коллекторы и программу для вашего блока управления двигателем.
7 Турбонаддув
Гуру эту часть могут смело пропустить, она приведена чисто в познавательном плане. Нашему Днепру
только турбонаддува не хватает:-)))
Другой путь значительного увеличения мощности двигателя - использование наддува, подачи горючей
смеси в цилиндры под давлением. Может применяться самостоятельно или же в дополнение к
увеличению рабочего объема. Суть та же, что и при расточке, - увеличение количества сгорающей
смеси, но другим способом.
Наддув в зависимости от величины давления принято делить на частичный (до 0,35 атм.), полный
(0,35?1,0 атм.) и высокий (свыше 1,0 атм.). Иногда делят на наддув низкого и высокого давления.
Величину давления чаще всего измеряют в барах (1 бар почти равен 1 атм.). К частичному наддуву
относят описанный в первой части статьи динамический (настроенный впускной коллектор), а также
инерционный. Последний - самый простой: поставил дополнительный воздухозаборник на капоте или
крыше (при заднем расположении двигателя), подвел по трубопроводу воздух к впускному коллектору,
и готово. Так выполнено, например, устройство Ram Air на Pontiac Firebird Trans Am. Название
образное: Air, понятно, воздух, а Ram - запихивать, заталкивать, в глотку например. Правда, эффективен
инерционный наддув только на высокой - свыше 180 км/час - скорости движения автомобиля.
Чтобы обеспечить более высокое давление наддува потребуется компрессор. Он может приводиться
механической передачей от коленвала или установленной на том же валу турбиной, размещенной в
выпускном тракте. Первый вариант обычно называют механическим нагнетателем (supercharger),
второй - турбокомпрессором (turbocharger).
Турбокомпрессор конструктивно проще, но не без недостатков - сложность регулировки давления,
медленный отклик на нажатие педали газа, невысокая долговечность, требовательность к качеству
масла.
Механические нагнетатели сложнее, но перечисленных недостатков не имеют. Основное достоинство мгновенный отклик, кроме того, более ровная характеристика крутящего момента и прирост мощности
преимущественно на низких и средних частотах вращения двигателя, что благотворно сказывается на
его эластичности.
Из всего многообразия механических нагнетателей, созданных в течение десятилетий, ныне место под
капотами прочно завоевали агрегаты на основе конструкции насоса, созданного братьями Рутс (Roots)
еще в 1860 г. С тех пор компрессоры Roots значительно усложнились - появились системы смазки
(автономные или общие с моторными), перепускные клапаны для ограничения максимального давления
наддува, центробежные или гидравлические муфты, отключающие компрессор при опасном для него
превышении частоты вращения (обычно обороты компрессора составляют 0,5-2,0 оборотов коленвала).
При высоких давлениях наддува возникает проблема снижения плотности свежего заряда. Дело в том,
что заталкиваемая нагнетателем в цилиндры под давлением смесь перегревается, из-за теплового
расширения снижается ее плотность, уменьшается количество кислорода, подаваемого в цилиндры, и
двигатель теряет мощность. За что боролись? Чтобы спасти положение придется ставить интеркулер промежуточный охладитель наддувочного воздуха - типа "воздух-воздух" или "вода-воздух" (как бы
радиатор наоборот).
Еще одно малоприятное явление при использовании наддува - это повышение степени сжатия,
пропорциональное корню квадратному из величины давления наддува.
Так, если на двигатель со степенью сжатия 8,5 установить наддув с давлением 2,25 атм., фактическая
степень сжатия составит 12,75. Тут даже 98-й бензин, пожалуй, будет детонировать. А ведь такое
давление - не предел.
Выхода два. Первый - снижение начальной степени сжатия - приводит к потере мощности. Второй использование другого топлива. Сразу предупредим, что здесь мы выходим за рамки обычных вещей.
Топлива, обеспечивающие отсутствие детонации при степени сжатия 17?18, готовятся специально и
содержат в своем составе такие компоненты, как метанол, бензол, ацетон и пр. Или взять такую
взрывоопасную жидкость, как нитрометан! Но это - совершеннейшая экзотика, удел соревнований
категории Top Fuel. Мы до этого еще не доросли.
Однако! Наши горячие кулибинские головы регулярно посещает идея втыкивания турбонаддува куда
угодно, в том числе и на Днепр. Чертежи просят:-)) Существенных трудностей несколько. Первая однозначно понятно, что родные днепровские железки повышенных нагрузок не выдержат, они и
стандартные не выдерживают:-)) Далее. Проблема в поиске донора, поскольку энергии выхлопного газа
от чахло пыхтящих 650 кубов врядли хватит для раскрутки турбины и создания избыточного давления,
если брать автомобильного донора. Чем меньше и легче турбина, и чем выше ее рабочие обороты, тем
быстрее получаем отклик мотора на ручку. Даже если выхлоп как то будет в состоянии крутить
турбинку от какой то запакованной малолитражки, то запаздывание будет таким значительным, что
прелесть его использования можно будет ощутить только на приличных оборотах. Ну а пытаться
изготовить турбину в гаражном кооперативе - помимо золотых рук и мозгов, надо името оборудование
и доступ к соответствующим материалам и технологиям их обработки.
8 Нитрос
И все-таки, зачем им эта "красная кнопка"? Они что, без нее совсем не ездят? Конечно, ездят, но!
Чертовски приятно в нужный момент легким движением руки разбудить целый "табун жеребцов" и
унестись под свист покрышек! Главное - вовремя запастись маленьким баллончиком со специальным
газом.
Нитрос – определенно один из самых экзотических способов тюнинга двигателя. Если вы подходите к
вопросу форсировки с точки зрения "доллар за лошадиную силу", вы придете к решению, что система
закиси азота дает максимальную отдачу за каждый доллар ваших вложений при минимальном
изменении двигателя.
Нитрооксид, закись азота - все эти термины обозначают химическое соединение N,O. Иногда можно
услышать выражение - „веселящего газа нанюхался". И это тоже о нем. Невидимое глазу вещество
обладает легким сладковатым запахом, который вызывает возбуждение и приступы беспричинного
веселья у тех, кто его вдохнул. Правда, увлекаться не стоит, - при большой концентрации он,
безусловно, смертелен для человеческого организма. Но нас больше интересует другое свойство
нитрооксида - при температуре около +300.°С он распадается на азот и кислород. Химически это
выглядит так: 2N2O ==> 2N2 + 02. Вторая составляющая и представляет особый интерес для всех
фанатов мощности. Как выжать из двигателя внутреннего сгорания дополнительные „лошадки"?
Основной способ известен: сжечь в цилиндрах больше рабочей смеси - вот вам и мощность. Добиться
этого можно, к примеру, при помощи нагнетателя или увеличения рабочего объема, а можно призвать
на помощь кислород. Вот его-то как раз в нитрооксиде и предостаточно: N2O содержит почти в 2,5 раза
больше кислорода, чем воздух. Но и это еще не все. Распыляясь, вещество значительно понижает
температуру воздуха, увеличивая тем самым его плотность. Значит, у нас еще больше смеси! Грех не
воспользоваться таким „веселым" газом, - настроение двигателя явно улучшится. А возможность взрыва
устройства просто исключена - Нитрооксид сам по себе совершенно не горюч. Но и баловаться с
баллоном не стоит.
Немного истории.
Первыми, кому довелось испытать на себе „раздухарившиеся" движки, были летчики. Практически все
военные самолеты Второй мировой приводились в движение поршневыми моторами, которые, как
известно, чувствительны к перепадам высот. Кроме того, они не способны при необходимости резко
увеличить скорость полета. Кому-то из немецких конструкторов пришла идея подбавлять к рабочей
смеси закись азота. Вскоре после начала войны тысячи „мессеров" и „фок-керов" оборудовали
системами под кодовым названием „GM1". Теперь самолеты могли резко набирать высоту, не опасаясь
„провалов", и ускоряться, подобно ракетам - но на очень короткие промежутки времени. Самолеты,
оснащенные GM1, попадали и к нам в качестве трофеев. Наших специалистов новинка не
заинтересовала: одних смущала большая масса устройства (как никак - 262 кг, таковы были технологии
тех времен), другие и вовсе приняли GM1 за химическое оружие. Видимо, их ввели в заблуждение
кислородные маски, которыми комплектовались высотные модификации Bf 109. А вот американцы и
англичане усердно занялись копированием системы. Но благодаря мощнейшим чарджерам новейшие
моторы „Grifon" фирмы „Rolls Royce" и без того превосходили немецкие по всем показателям. С
появлением первых реактивных самолетов интерес к „поршневикам" стал постепенно угасать, а про
закись азота в авиации и вовсе забыли. Усилия секретных КБ рейха пригодились десяток лет спустя.
Бывшие авиационные инженеры, которых среди хотроддеров в 50-е было хоть пруд пруди, начали
эксперименты по оснащению некогда секретной системой своих многолитровых монстров. Увы, все
упиралось в сам газ, занесенный в те времена в реестр боевых отравляющих веществ. Некоторые
оригиналы все-таки пытались приспособить систему к автомобильным двигателям. Одним из них был
известный гонщик Смоки Юник, оснастивший свой сток-кар впрыском закиси азота (это было в 50-е
годы). Ему удалось выиграть несколько соревнований, прежде чем спортивные комиссары NASCAR
обнаружили несоответствие конструкции техническим требованиям. Систему поставили вне закона.
Конечно, некоторые несознательные гонщики тайно баловались „запрещенными препаратами"
(возможно, делают это и сейчас), но - лишь в эпизодических случаях. Настоящая революция произошла
в начале 70-х годов, и совершили ее двое - Майк Термос и Дейл Вазнаян. Будучи опытными гонщиками
(а также и механиками), они по достоинству оценили весь потенциал „веселящего газа" и вплотную
занялись адаптацией нитросистемы к автомобильному двигателю. Дело пошло, и в 1978 году Майк и
Дейл основали компанию „Nitrous Oxide Systems Inc." („NOS"). Кстати, если услышите, что оксид
называют „NOS", знайте - это торговая марка самой известной на сегодняшний день фирмы. Несколько
лет у Майка и Дейла ушло только на раскрутку продукта: приходилось популярно разъяснять людям,
что „баллончики" очень эффективны, вполне надежны и ничуть не опасны. Масла в огонь подливали и
известные хотроддерские журналы. Дрэгрейсинг, с более свободными правилами, тоже не остался в
стороне - куча рекордов принадлежит именно нитрооксидным машинам. Сейчас технология
производства систем впрыска закиси азота отработана до мелочей и освоена многими фирмами. Кроме
„NOS", входящей в состав компании „Holley", „нитро" предлагают „Zex", „TNT", „Nitrous Works", „High
Power Systems" и другие.
В теории
Как повысить мощность?
Как известно, мощность и крутящий момент двигателя тем больше, чем больше горючей смеси удается
"затолкать" в цилиндры. Конструкторы действуют как "тонкими методами" - путем настройки систем
впуска, выпуска и газораспределения, так и "в лоб", устанавливая системы наддува, в том числе с
интеркулерами (последние, понижая температуру воздуха, увеличивают его плотность). Естественно, с
увеличением подачи воздуха (окислителя) количество подаваемого топлива тоже должно возрасти,
чтобы состав смеси все время поддерживался в оптимальных пределах.
Двигатель функционирует, сжигая топливо, которое в момент вспышки в камере сгорания создает
избыточное давление, толкая поршни вниз. Хотите добиться большей мощности - сжигайте большее
количество топлива. При этом будет высвобождаться большее количество энергии, а, соответственно, с
большим усилием толкать поршни вниз.
Звучит довольно просто. Но это не настолько просто сделать. Имеются разные факторы, влияющие на
увеличение мощности двигателя. Мы рассмотрим три самых основных:
1. Любое топливо требует для горения кислород. Если вы хотите сжечь большее количество топлива, вы
должны также включить в состав смеси большее количество кислорода. Фактически все схемы
увеличения мощности двигателя работают на основе увеличение потока топлива и кислорода.
Распредвалы, клапаны и карбюраторы большего диаметра, впускные и выпускные каналы, их
расположение и качество обработки поверхности, нагнетатели и турбокомпрессоры, закись азота яркие примеры тюнинга двигателя позволяющего большему количеству кислорода сжигать большее
количество топлива, что и дает вам увеличение в мощности. Системы впрыска закиси азота, вероятно,
наиболее эффективный способ увеличить поток кислорода, а соответственно и топлива в двигатель. Это
основная причина, по которой N20 системы дают такое большое увеличение мощности по сравнению с
другими способами.
2. Другой основной фактор повышения коэффициента мощности - испарение топлива. Бензин (как и
другие используемые в гонках топлива) не будет гореть в жидком состоянии в замкнутом пространстве
камеры сгорания. Топливо должно быть превращено в "пар" (смесь топлива с воздухом) для
наилучшего сгорания. Это достигается термомеханическим способом в карбюраторах, либо прямым
инжекторным впрыском. Температура двигателя и механическое распыление - ключи к ускорению
испарения. Обработанное термомеханическим способом, распыленное топливо превращается в
крошечные капельки, которые быстро испаряются в камере сгорания до момента полного сжатия.
Размер топливных капель очень важен. Топливо, подающееся в камеру сгорания должно состоять из
капелек, размером в десятки раз меньше обычной капли бензина.
3. Третий фактор повышения мощности, который мы рассмотрим - воздух (качество смеси).
Попробуйте бегать на вершине 10,000 метров в горах. Вы очень быстро задохнетесь, выбьетесь из сил
из-за нехватки кислорода. Почему? Потому что воздух более разряжен, менее насыщен кислородом, его
давление меньше, чем на уровне моря. Сила воздействия атмосферного давления, температура воздуха
и его влажность - крайне важны для работы двигателя. Мы не можем повлиять на окружающую среду,
но мы можем до некоторой степени регулировать качество смеси на входе. Мы охлаждаем топливную
смесь, чтобы сделать ее более плотной до подачи в двигатель. И чем более плотной будет смесь - тем
больше ее наполнение топливом и воздухом, что дает дополнительную мощность. Подающаяся в состав
смеси в виде сжиженного газа, закись азота приводит к ее немедленному охлаждению, т.к. температура
испаряющегося сжиженного газа всегда на несколько порядков ниже температуры окружающей среды.
Кроме всего прочего, задача систем закиси азота состоит в том, что бы повысить плотность
подаваемого топлива минимум на 65% по отношению к стандарту. Более плотная смесь, подающаяся в
двигатель, даст большую дополнительную мощность в сочетании с N20.
Чем закись азота является и что она дает двигателю?
Для двигателя закись азота можно себе представить как более удобную замену стандартной атмосферы.
Так как мы заинтересованы в повышении содержания кислорода в атмосферном воздухе, закись азота
дает нам простой инструмент для управления тем, сколько кислорода будет присутствовать, когда вы
даете двигателю дополнительное топливо чтобы высвободить большее количество мощности.
Закись азота - не топливо. Закись азота - удобный способ прибавить дополнительный кислород для
сжигания большего количества топлива.
Если вы прибавляете закись азота и не прибавляете дополнительное топливо, вы только ускоряете
скорость, с которой ваш двигатель сжигает топливо, которое он обычно использует. Это приведет лишь
к деструктивной детонации. Энергия - спутник топлива, а не N20. Закись азота позволит вам сжечь
большее количество топлива в том же самом интервале времени. Как результат - огромное увеличение
общей высвобождаемой энергии, полученной от топлива для ускорения вашего автомобиля/мотоцикла.
В закиси азота нет никакого волшебства. В действительности, использование N20 принципиально не
отличается от использования карбюратора большего сечения, лучшей системы трубопроводов,
нагнетателя или турбокомпрессора.
Воздух, который используете вы и ваш двигатель, "сделанный" на уровне моря, содержит:
- азота 78 %;
- кислорода 21 %;
- и только 1 % - другие газы.
Закись азота сделана на основе двух крупнейших составляющих земной атмосферы и содержит две
молекулы азота и одну молекулу кислорода.
Когда закись азота подается в двигатель, теплота сгорания разрушает химическую связь N20, снабжая
ваш двигатель большим количеством кислорода. А молекулы азота не дают смеси взрываться и
детонировать двигателю. Все гоночные двигатели функционируют по тем же принципам: большее
количество воздуха (лучшая сбалансированность, наддув, турбокомпрессия или N20) плюс большее
количество топлива в более плотной смеси приводит к большему количеству мощности.
Массовое содержание кислорода в закиси азота в 1,6 раза выше, чем в воздухе, да и сама закись в
полтора раза плотнее, так что без всякого наддува в двигателе оказывается намного больше окислителя.
У многих возникает вопрос: нельзя ли вместо воздуха подавать в цилиндры чистый кислород,
полностью избавившись от балласта - азота? Перефразируя рекламную строчку, скажем: "подай - и
отойди". Чистый кислород по соседству с маслом и бензином чрезвычайно опасен, недаром инструкции
категорически запрещают смазывать вентиль баллона. Известен случай, когда ночью при пуске
авиационного двигателя механик перепутал сжатый воздух с кислородом, за что поплатился жизнью баллон взорвался вместе с мотором. Разбавлять же воздух именно закисью азота, а не кислородом
выгоднее еще и по другой причине: при разложении N2Oувеличивается общий объем газов. Так каждый
литр закиси дает пол-литра кислорода (реально он тут же расходуется на окисление топлива) и литр
азота. Получается этакий химический наддув - без турбин и интеркулеров (кстати, газ из баллона сам по
себе холодный за счет эффекта расширения). К тому же реакция его разложения протекает с
выделением тепла, что тоже способствует повышению мощности.
ЗАКИСЬ СУХАЯ И МОКРАЯ
Но, как мы уже говорили, мало подать в цилиндры дополнительную порцию окислителя, нужно
пропорционально увеличить и дозу топлива. Можно использовать штатную систему питания, а можно
установить отдельную, включающуюся в работу при подаче закиси. Первая схема называется "сухой",
вторая - "мокрой". Есть и суперсложный вариант распределенного впрыска закиси "мульти порт". На
каждый цилиндр - по три форсунки: штатная, для дополнительного топлива и для "нитроса".
Естественно, потребуется и свой блок управления системой. Установить такое чудо на автомобиль
обойдется в несколько тысяч долларов. Недешево само оборудование с фирменными полированными
переходничками и яркими наклейками, да и работа немалая - сверлить коллектор, прокладывать
магистрали, "примирять" блоки управления. Но главное - огромного баллона из блестящей нержавейки
хватает на короткий пшик резиной по асфальту! Пятнадцать атмосфер сжатого газа улетучиваются за
считанные секунды. Чтобы высосать газ до конца, фирмы предлагают даже специальные грелки для
баллона - по мере расхода газа они нагревают его корпус, чтобы поддержать давление.
Речь здесь, конечно, не об отечественных производителях. "Нитрос" впервые приобрел популярность в
США - стране хот-родов и дрегстеров. В России заморские идеи воспринимают легко и тут же
начинают приспосабливать их к нашей жизни, чтоб было дешево и сердито.
МЫ ПОЙДЕМ ДРУГИМ ПУТЕМ
Первое, что с негодованием отмели российские прагматики - красивый заокеанский баллон.
Отечественный медицинский хоть с виду и неказист (вместо хрома покрыт бесчисленными слоями
серой краски), зато в нем не сжатая, а сжиженная закись. Улавливаете разницу? На тот же объем - в
двадцать с лишним раз больше "нитроса". Да и дешевле некуда: обменять пустой на полный - около
двадцати долларов. Давление не запредельное - 30-60 атм в зависимости от температуры. Конечно,
понадобится редуктор, чтобы понизить его до рабочих 10-15 атм. На впрысковом автомобиле можно
обойтись "сухой" закисью и штатной системой управления двигателем - датчики сами проследят за
оптимальным составом смеси. Да и стоимость оборудования с монтажом получается вполне
приемлемой - в несколько раз дешевле зарубежного комплекта. С карбюратором возни больше - он же
не имеет обратной связи! Одни оставляют все, как есть - на режимах с максимальной подачей топлива
мотор действительно просыпается. Другие меняют жиклеры, мирясь с высоким расходом топлива в
обычном режиме и словно не замечая черного дыма из глушителя. Третьи городят мудреные системы с
электромагнитным клапаном и дополнительным жиклером - "мокрый" впрыск.
Воспламенение
Следующий важный вопрос - система воспламенения. Двигатели с установленной системой впрыска
азота требуют определенных изменений в системе зажигания. Например, использование «холодных»
свечей или установка меньшего угла зажигания. Стандартные свечи мало приспособлены для работы с
системой впрыска азота. В зависимости от мощности системы впрыска, могут быть необходимы более
«холодные» свечи. Сокращение времени воспламенения - другой важный фактор при использовании
впрыска азота. Я слышал две причины для этого утверждения (но я не могу подтвердить или отрицать
данное утверждение), во-первых – это уменьшает шанс удара (детонации), во-вторых – для более
быстрого сгорания топливной смеси, для получения максимальной мощности. Угол опережения
зажигания должен быть уменьшен на 1-1,5 градуса для каждых дополнительных 50 л.с. Кроме того,
нужно быть очень осторожным в использовании чип-тюнинга.
НА ИЗНОС
Не секрет, что прирост мощности не дается даром. На авиационных двигателях, например,
использование ЧР (чрезвычайного режима) предполагает последующую их переборку. Впрыск закиси
азота не повышает частоту вращения коленвала, поэтому износ цилиндров и нагрузка на клапаны и
распредвалы не возрастут (конечно, если не раскручивать мотор без нагрузки). А вот за поршни,
вкладыши и валы есть основания опасаться. Да и свечи, возможно, придется поставить "похолоднее". За
несколько секунд работы в "форсажном" режиме мотор вряд ли сильно состарится, а вот постоянная
езда "под газом" может быть опасной. Прогоревший поршень и заклинивший на ходу двигатель могут
привести к серьезному ДТП.
Многие мечтают о такой экзотике. Ну, мечтать не вредно. Как это видится мне? В "мокром" варианте.
Т.е. ставится под карбюратор шайба, в которую ввернут электроклапан холостого хода с той же
восьмерки, регулирующий дополнительную подачу топлива. Частоту срабатывания клапана завязать с
оборотами коленвала, а размер жиклера предварительно посчитать, а затем экспериментально довести
до ума. Туда же подаем и закись азота. Топливо самотеком здесь не прокатит, поэтому придется ставить
отдельный электрический бензонасос. В таком варианте эта штука действительно должна неплохо
работать, когда нибудь я ее все таки реализую, для начала - на своем подопытном жигуляторе:-)) И
самое главное. Самый главный прибор в этом деле - газоанализатор. Без него что либо настраивать на
глазок - пустая трата времени и сил.