Тюнинг автомобильных двигателей

Тюнинг (от английского слова tune - настраивать, приспосабливать) применительно к технике означает ее доработку (доводку) с целью улучшения имеющихся свойств или показателей. Каждая система или узел автомобиля, его внешний вид и интерьер также обладают определенными свойствами и показателями. Сравнивая эти свойства и показатели у разных автомобилей, можно делать выводы о их техническом совершенстве. Из сказанного очевидно, что объектов тюнинга на автомобиле столько, сколько он имеет узлов и систем, не говоря уже об интерьере салона и экстерьере. Описание всего тюнинга автомобиля - задача чрезвычайно трудоемкая уже по причине имеющегося многообразия конструкций эксплуатируемых автомобилей. Современные автомобили оснащаются в основном 4-тактными высокооборотными двигателями, которые по сравнению с 2-тактными имеют больший ресурс, более экономичны и удобнее в эксплуатации. Поэтому в данной книге рассматривается лишь тюнинг 4-тактных автомобильных двигателей. Справедливости ради следует отметить, что тюнинг двигателя встречается гораздо реже, чем другие виды тюнинга.

Чаще всего заказчиком тюнинга выступает заинтересованный в этом владелец автомобиля или, например, спортивный клуб. И в определенной ситуации тюнинг двигателя может оказаться делом выгодным. Такая ситуация, например, имеет место, когда у владельца возникает желание иметь автомобиль с более мощным двигателем. В этом случае затраты на тюнинг оказываются существенно ниже, чем затраты на продажу имеющегося автомобиля и покупку нового. Однако здесь следует отдавать себе отчет в том, что гарантии завода-изготовителя автомобиля на подвергнутый тюнингу двигатель не распространяются.

Имеются и такие примеры, что заказчиком тюнинга двигателя является непосредственно фирма, занятая его серийным производством. Так известная австрийская компания AVL выполняет тюнинг двигателей не менее известных фирм Volkswagen и Daimler Chrysler. В1999 году заказчиком этой фирмы стало и российское предприятие - Уфимское моторостроительное производственное объединение (УМПО). Оно заключило с компанией AVL контракт на модернизацию своих двигателей с рабочим объемом 1,8 и 2,0 л. Австрийская сторона завершила конструкторские работы, и уже в конце 1999 г. усовершенствованные двигатели, отвечающие принятому в странах Евросоюза стандарту «Euro-2», должны были поступить в УМПО для заводских испытаний. После завершения испытаний предполагается запустить эти двигатели в серию и начать оснащение ими новых моделей автомобилей «Москвич» и «Иж».

Если принять во внимание, что работы по модернизации двигателя можно доверить лишь предприятию, оснащенному современной техникой для проведения таких работ и имеющему соответствующее диагностическое оборудование, то это подразумевает, что стоимость предстоящих работ может быть доступна далеко не каждому заказчику. Исходя из сказанного можно объяснить, почему в России предприятия, которым задача тюнинга двигателя по плечу, можно перечислить по пальцам. И тем более очевидно, что далеко не каждое предприятие автосервиса располагает возможностью выполнять такие работы.

Изложенное выше позволяет понять, почему тюнинг двигателя встречается значительно реже, чем тюнинг деталей подвески, аэродинамики, шумоизоляции, дизайна и отделки салона и т.п. К сказанному следует добавить, что двигатель - это наиболее сложный и ответственный агрегат автомобиля, объединяющий в себе несколько различных систем и узлов. Наиболее важными системами двигателя являются система питания, система охлаждения, система смазки и система выпуска отработавших газов. Основные его механизмы - это кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и газораспределительный механизм (ГРМ), расположенные соответственно в блок-картере и головке цилиндров. В силу этого автомобильные фирмы уделяют серьезное внимание совершенству двигателя, как на стадии его проектирования, так и в процессе эксплуатации. Однако вносить изменения в конструкцию серийно выпускаемого двигателя достаточно накладно и на это идут лишь в случае крайней необходимости. Как правило, в конструкцию двигателя не вносятся изменения, требующие значительных затрат ручного труда, поскольку это влечет за собой удорожание как самого двигателя, так и автомобиля в целом. И, само собой разумеется, что автомобильные фирмы не заинтересованы в том, чтобы информация о возможных резервах совершенствования выпускаемых ими двигателей стала общедоступной. На обнаружение и устранение этих «недоделок» и направлен тюнинг, который выполняется наиболее технически оснащенными предприятиями автосервиса.

Конечной целью тюнинга может быть улучшение динамических качеств, экономичности двигателя, увеличение его мощности или уменьшение токсичности отработавших газов. Наиболее часто тюнинг направлен на придание двигателю более совершенных динамических качеств. В этой связи представляется важным рассмотреть подробнее, что включает в себя это понятие.

1 ДИНАМИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

При покупке автомобиля помимо его дизайна и интерьера салона будущего владельца, несомненно, интересуют и динамические качества приобретаемого транспортного средства. Последние во многом зависят от технических характеристик двигателя, установленного на автомобиле.

Наиболее объективную оценку динамических качеств автомобильного двигателя можно получить при анализе его внешней скоростной характеристики. Внешняя скоростная характеристика представляет собой зависимость показателей работы двигателя (мощности, крутящего момента, коэффициента наполнения цилиндров, удельного эффективного расхода топлива и др.) от частоты вращения коленчатого вала (KB) при неизменном положении органа управления, обеспечивающем максимальную подачу топлива в цилиндры.

Важным параметром автомобильного двигателя, позволяющим оценить устойчивость его режима при работе по внешней скоростной характеристике, является коэффициент приспособляемости (). Значение определяется отношением максимального крутящего момента к номинальному крутящему моменту, развиваемому двигателем на номинальной мощности при номинальной частоте вращения КВ. Особенно заметно значимость этого параметра проявляется в случае преодоления автомобилем крутых подъемов. Чем больше значение , тем большее сопротивление движению может преодолеть автомобиль без переключения коробки передач на пониженную передачу. Важное значение при этом имеет и диапазон изменения частоты вращения KB, в котором двигатель устойчиво работает: чем больше этот диапазон, тем лучшими динамическими качествами обладает автомобиль, тем легче управление двигателем. Скоростной диапазон устойчивой работы двигателя оценивается скоростным коэффициентом (), представляющим собой отношение частоты вращения KB при максимальном крутящем моменте к номинальной частоте вращения. Отсюда следует, что чем больше диапазон устойчивой работы двигателя, тем меньше значение Размещено на http://www.allbest.ru/

. Это означает, что при прочих равных параметрах сравниваемых автомобилей предпочтение следует отдать автомобилю, двигатель которого характеризуется меньшим значением .

Следует назвать и еще один важный показатель, который достаточно часто применяется для оценки динамических качеств легковых автомобилей, - это приёмистость. Под приёмистостью обычно понимается время разгона автомобиля с места до скорости 100 км / ч. Этот показатель во многом определяется значениями и , но, кроме того, он зависит от соотношения номинальной мощности двигателя и массы автомобиля. Чем меньше масса автомобиля, приходящаяся на единицу номинальной мощности двигателя, тем меньше времени требуется автомобилю для достижения указанной скорости. Очевидно, что приёмистость автомобиля с дизельным двигателем той же мощности, что и у бензинового, будет несколько хуже, так как удельная масса такого автомобиля больше. Заметим, что приёмистость отдельных спортивных автомобилей, подвергнутых тюнингу, оценивается временем менее 5 секунд.

Четверть века назад бензиновые автомобильные двигатели имели = 1,25...1,35, тогда как для дизельных двигателей были характерны значения = 1,05...1,15, при этом меньшие значения коэффициента приспособляемости имелись у двигателей с наддувом. Скоростной коэффициент для бензиновых двигателей составлял = 0,45...0,55, а для дизельных двигателей - соответственно = 0,55...0,70, достигая при высоком наддуве значения 0,8.

Для улучшения названных выше параметров автомобильных двигателей выполняют как в отдельности, так и комбинированно следующие основные мероприятия:

- подбор наиболее эффективных фаз газораспределения;

- использование волновых и инерционных явлений во впускном и выпускном тракте для улучшения очистки и наполнения цилиндров при работе двигателя в зоне максимального крутящего момента;

- регулирование давления наддува воздуха или топливо-воздушной смеси на впуске для двигателей с наддувом;

- увеличение цикловой подачи топлива с улучшением наполнения цилиндра при работе дизельного двигателя по скоростной характеристике в зоне максимального крутящего момента.

Следует заметить, что каждое из названных мероприятий в той или иной степени усложняет конструкцию двигателя, ухудшает его массо-габаритные показатели и увеличивает стоимость. Тем не менее, автомобильные фирмы для повышения конкурентоспособности своей продукции часто идут на увеличение затрат и считают их оправданными.

В таблицах 1.1 и 1.2 представлены расчетные значения и , полученные на основании опубликованных в последнее время данных для автомобилей нескольких ведущих фирм Германии. В табл. 1.1 для сравнения приведены данные также и по некоторым двигателям автомобилей ВАЗ и ГАЗ. В табл. 1.2 данные по отечественным двигателям не приведены по причине крайней скудности опубликованной информации.

Таблица 1.1 - Показатели динамических качеств легковых автомобилей с бензиновыми двигателями

Таблица 1.2 - Показатели динамических качеств легковых автомобилей с дизельными двигателями

Анализ показывает, что для большинства современных бензиновых двигателей легковых автомобилей зарубежного производства = 1,028... 1,333, тогда как для дизельных двигателей характерны значения = 1,100...1,344. Наблюдается очевидная тенденция уменьшения нижнего предела диапазона для бензиновых двигателей. Такой подход можно объяснить тем, что зарубежные легковые автомобили предназначены преимущественно для движения с высокой скоростью, и их двигатели имеют быстроходную регулировку (см. раздел 2). Применение в этих автомобилях автоматической коробки передач делает для водителя проблему своевременного переключения передач при возрастающем сопротивлении движению не столь актуальной.

В то же время для дизельных двигателей произошло увеличение как нижнего, так и верхнего предела диапазона до значений, характерных для бензиновых двигателей и даже превосходящих последние. Это стало возможным благодаря коррекции топливоподачи, совершенствованию смесеобразования и применению регулируемого турбонаддува.

Значения скоростного коэффициента для современных бензиновых двигателей находятся в диапазоне = 0,345 ... 0,800, а для дизельных соответственно = 0,364 ... 0,620. Сравнивая эти цифры с данными 25-летней давности, можно констатировать, что как для бензиновых, так и для дизельных двигателей удалось добиться почти одинакового расширения скоростного диапазона устойчивой работы (уменьшение нижнего предела ). Верхний предел скоростного коэффициента дизельных двигателей также понизился, тогда, как для наиболее высокооборотных бензиновых двигателей отмечено сужение скоростного диапазона с возрастанием значения до 0,8. На основании приведенных данных можно констатировать, что современные дизельные двигатели легковых автомобилей по своим динамическим качествам фактически не уступают бензиновым.

Сказанное выше позволяет сделать вывод о том, что наметившиеся тенденции к расширению скоростного диапазона устойчивой работы автомобильных двигателей, а также применение на значительной их части быстроходной регулировки, сохранится и в ближайшем будущем. А это значит, что автолюбителей ждут встречи с новыми и интересными инженерными решениями, направленными на дальнейшее совершенствование динамических качеств автомобильных двигателей.

2 ПОДБОР ЭФФЕКТИВНЫХ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Обычно подбор наиболее эффективных фаз газораспределения (ФГР) выполняется на стадии доводки двигателя предприятием-изготовителем. Как правило, ФГР подбираются такими, чтобы обеспечить экстремальное значение какого-либо одного наиболее важного с точки зрения настройщика параметра двигателя. Таким параметром может быть мощность (среднее эффективное давление ), крутящий момент , удельный эффективный расход топлива содержание токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) двигателя и др. При этом подбираются профили впускных и выпускных кулачков распределительного вала, определяющие ускорение и время-сечение открытия клапанов, а также взаимное положение распределительного (распределительных) и коленчатого валов, от которого зависит момент начала открытия клапанов. При подборе ФГР нельзя пренебрегать значениями ограничительных факторов, например, максимально допустимым значением температуры отработавших газов (ОГ).

Очевидно, что изменение профилей кулачков распределительного вала в процессе работы двигателя нецелесообразно из-за значительной громоздкости и недостаточной надежности соответствующего исполнительного механизма и снижения по этой причине надежности двигателя в целом. Поэтому при выбранных в процессе доводки профилях кулачков дальнейший подбор ФГР заключается обычно в установке такого момента начала открытия клапанов, при котором происходит более эффективное наполнение цилиндров свежим зарядом.

Другой подход к увеличению наполнения цилиндров заключается в замене имеющегося распределительного вала на нестандартный, с расширенными фазами газораспределения. Такой тюнинг карбюраторных и инжекторных двигателей ВАЗ-21083 с рабочим объемом 1,5 л и карбюраторных двигателей ВАЗ-21080 (1,3 л) выполняет петербургское предприятие «Автотрон». Устанавливаемый нестандартный распределительный вал с расширенными ФГР имеет увеличенную высоту профиля кулачков, что позволяет увеличить ход клапанов до 10,2 мм. Кроме установки нового распределительного вала, производится обработка по шаблону контуров отверстий впускных каналов у фланцев головки цилиндров и у фланцев впускного коллектора с последующей установкой коллектора на направляющие штифты. Для тонкой настройки ФГР на распределительный вал устанавливается разрезная шестерня привода, позволяющая изменять положение ее зубчатого венца относительно ступицы. На заключительной стадии работ выполняется регулировка клапанов, систем питания и зажигания, а также регулировка уровня эмиссии и . После выполнения всех работ подвергнутый тюнингу двигатель при 5900 1 / мин развивает мощность 58,9 кВт (80 л.с.), кроме того, его максимальный крутящий момент в диапазоне средних частот вращения KB несколько увеличивается. Предприятие дает гарантию на все виды выполненных работ.

Эффективность наполнения цилиндров характеризуется значением коэффициента наполнения . Коэффициент наполнения представляет собой отношение количества свежего заряда, поступившего в цилиндр к моменту действительного начала сжатия, к тому количеству заряда, которое теоретически могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при неизменных условиях на впуске. За момент действительного начала сжатия заряда в цилиндре 4-тактного двигателя принимается момент закрытия впускных клапанов. Условия на впуске для двигателей без наддува характеризуются давлением и температурой , где - параметры окружающей среды. Для двигателей с наддувом условиями на впуске являются давление и температура после компрессора.

Следует заметить, что найденные для определенной частоты вращения KB наиболее эффективные фазы газораспределения при другой частоте вращения таковыми уже не являются, так как не обеспечивают соответствующего наполнения цилиндров. Поэтому в подавляющем большинстве случаев фактически производится регулировка момента начала открытия клапанов для наиболее характерного в процессе эксплуатации скоростного режима работы двигателя. Общей тенденцией для впускных и выпускных клапанов, имеющей место с ростом частоты вращения KB, является более раннее начало и увеличение продолжительности их открытия по углу ПКВ.

Обычно ФГР настраиваются или для скоростного режима, близкого к номинальной мощности двигателя (быстроходная регулировка), или для скоростного режима в зоне максимального крутящего момента (тихоходная регулировка). Качественные различия в изменении мощности и крутящего момента двигателя от частоты вращения KB при работе двигателя по внешней скоростной характеристике для быстроходной и тихоходной регулировки показаны на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Внешняя скоростная характеристика двигателя при быстроходной (1) и тихоходной (2) регулировке: - эффективная мощность, - эффективный крутящий момент, - частота вращения KB

Более благоприятные условия для подбора эффективных фаз газораспределения имеются у двигателей, где управление впускными и выпускными клапанами осуществляется отдельными распределительными валами. При управлении клапанами с помощью одного распределительного вала можно вести речь о эффективной настройке ФГР или только для впускных, или только для выпускных клапанов. Настройка ФГР должна выполняться в условиях испытательного стенда, позволяющего производить нагрузку двигателя по внешней скоростной характеристике и контролировать все необходимые параметры.

В качестве примера рассмотрим последовательность настройки ФГР из условия обеспечения максимального среднего эффективного давления для карбюраторного двигателя во всем диапазоне частоты вращения КВ. Заметим, что развиваемая бензиновым двигателем мощность зависит не только от наполнения цилиндров, но и от качественного состава горючей смеси, который характеризуется коэффициентом избытка воздуха . Коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение количества воздуха, действительно поступившего в цилиндр на момент закрытия впускных органов, к тому количеству воздуха, которое теоретически необходимо для полного сгорания поступившего в цилиндр топлива.

Сначала при неизменной регулировке карбюратора и неизменных фазах открытия и закрытия выпускного клапана, установленных заводом-изготовителем, получим зависимости коэффициента избытка воздуха от частоты вращения KB при разных значениях угла начала открытия впускного клапана . Скорее всего, окажется, что разброс значений при разных значениях будет неодинаковым, т.к. на , по крайней мере, будут влиять волновые процессы во впускном трубопроводе.

При значении , для которого имеет место максимальный разброс значений , экспериментально найдем зависимости , , , и построим соответствующие графики. Пример графической интерпретации полученных результатов показан на рис. 2.2.

Из рисунка видно, что с увеличением запаздывания угла начала открытия впускного клапана значения и монотонно уменьшаются. Поэтому, если характер изменения и связывать только с изменением значения , то это приведет к неправильным выводам. Дело в том, что в результате выталкивания поршнем заряда из цилиндра перед закрытием впускного клапана происходит падение , а это, в свою очередь, влечет за собой уменьшение .

Рисунок 2.2 - Влияние фаз открытия и закрытия впускного клапана на параметры рабочего процесса при неизменной регулировке карбюратора

Чтобы исключить в последующих опытах влияние на , карбюратор на каждом нагрузочном режиме путем регулировки главного жиклера должен настраиваться на значение , при котором в предыдущих опытах было достигнуто максимальное значение . Из рис. 2.2 следует, что в данном случае для всех нагрузочных режимов должно быть выполнено условие .

Далее выполняются эксперименты, целью которых является определение зависимости сначала при различных значениях угла начала открытия впускного клапана и неизменном (заводском) значении угла начала открытия выпускного клапана , а затем наоборот, при различных значениях и . При проведении экспериментов для каждой постоянной частоты вращения KB необходимо определить интервал , в котором значение полученное при конкретном значении угла начала открытия клапана, оставалось бы неизменным.

Из полученных результатов очевидно, что при минимальной, средней и номинальной частоте вращения KB для получения максимального значения требуются разные фазы газораспределения.

Рисунок 2.3 - Подбор эффективных фаз газораспределения для широкого диапазона частоты вращения KB

Поэтому для обобщения результатов строится диаграмма, у которой по оси абсцисс откладываются значения , а по оси ординат - значения . На эту диаграмму наносятся максимальные значения при минимальной, средней и номинальной частоте вращения KB, как это показано на рис. 2.3. Затем вокруг этих значений строятся, например, линии . Если область, в которой линии всех максимумов пересекаются, отсутствует, то строят .

В результате таких построений определяется область значений углов начала открытия клапанов (на диаграмме эта область заштрихована), в которой на каждом скоростном режиме обеспечивается . Для получения желаемого результата остается выставить на двигателе такие значения и , чтобы соответствующие этим значениям линии пересекались на диаграмме в заштрихованной области.

Аналогично находится область ФГР, в которой обеспечивается минимальное значение . В пределах найденных областей ФГР для и значения и следует выставить такими, чтобы они, по возможности, обеспечивали получение во всем скоростном диапазоне как , так и .

Заметим, что приведенную выше задачу можно решить с минимальными затратами времени и материальных ресурсов, если для оптимизации ФГР воспользоваться методом градиента, известным из теории планирования эксперимента.

В качестве отправного момента в первом приближении для автомобильных двигателей можно принять ФГР, приведенные в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Следует заметить, что точно выставить фазы газораспределения можно лишь в случае, когда указывается, при каком значении зазора в приводе клапанов эти фазы имеют место.

Применительно к карбюраторным двигателям необходимо также учитывать, что слишком раннее открытие впускных клапанов при работе на частичных нагрузках ведет к забросу отработавших газов во впускной трубопровод, что ухудшает воспламеняемость горючей смеси.

Для расширения скоростного диапазона устойчивой работы наиболее высокооборотных бензиновых двигателей в отдельных случаях применяется автоматическая регулировка фаз газораспределения во всем диапазоне частоты вращения KB непосредственно во время работы двигателя. В качестве примера можно сослаться на устанавливаемый на автомобили BMW 320i и 325i однорядный 6-цилиндровый бензиновый двигатель М-50, который (начиная с сентября 1992 г.) оснащен механизмом динамической регулировки фаз газораспределения, получившим сокращенное обозначение VANOS (от немецкого словосочетания variable Nockenwellensteuerung).

Исполнительный механизм включает в себя расположенный в корпусе поршень, переходящий в шток с винтовыми шлицами. Эти шлицы входят в зацепление с соответствующими шлицами, выполненными в зубчатом колесе для привода распределительного вала, управляющего впускными клапанами.

Перемещение поршня и его штока в направлении оси распределительного вала приводит к изменению взаимного положения зубчатого колеса и вала. При этом ход поршня и обусловленное им изменение положения распределительного вала зависят от давления масла, подводимого к корпусу исполнительного механизма по отдельному маслопроводу.

Блок управления двигателем с помощью электромагнитного клапана, расположенного в корпусе исполнительного механизма, регулирует давление масла в зависимости от частоты вращения КВ.

Рисунок 2.4 - Изменение коэффициента наполнения при работе двигателя по внешней скоростной характеристике при быстроходной (1) и тихоходной (2) регулировке фаз газораспределения

Применение этого механизма позволило уменьшить значение скоростного коэффициента с 0,797 до 0,712 при практически неизменном значении коэффициента приспособляемости = 1,074. В данном случае механизм VANOS, плавно изменяя момент открытия впускных клапанов в зависимости от скоростного режима, обеспечивает максимальные значения во всем диапазоне частоты вращения КВ. Качественный характер изменения в зависимости от вида регулировки показан на рис 2.4.

Из рисунка видно, что с увеличением частоты вращения KB максимальное значение имеет тенденцию к снижению вследствие возрастания аэродинамических потерь из-за повышения скорости воздушного потока во впускном тракте.

Совершенно очевидно, что подобный тюнинг ГРМ под силу выполнить только самому предприятию-изготовителю двигателя, так как для этого требуется мощная экспериментальная и производственная база. Наибольшее, что доступно обычному предприятию автосервиса, - это подбор эффективных фаз газораспределения путем изменения взаимного положения распределительного и коленчатого валов. В лучшем случае - это изготовление нового распределительного вала с измененными профилями и углами заклинки кулачков.

3 МОДЕРНИЗАЦИЯ ВПУСКНОГО ТРАКТА СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

Впускной тракт служит для подвода свежего заряда (горючей смеси или воздуха) к цилиндрам двигателя. Впускной тракт включает в себя заборник атмосферного воздуха, впускные трубопроводы, воздушный фильтр, устанавливаемый в разрыв впускных трубопроводов, впускной коллектор, впускные патрубки и впускные каналы головки цилиндров. В карбюраторных двигателях перед впускным коллектором располагается карбюратор, поэтому часть впускного тракта от карбюратора до впускных клапанов оказывает существенное влияние на процесс смесеобразования и распределения горючей смеси по цилиндрам двигателя.

Параметры впускного тракта оказывает очень сильное влияние на характер изменения мощности и крутящего момента. За счет правильного определения размеров трубопроводов и настройки впускного тракта можно добиться значительно большего наполнения цилиндров, чем, к примеру, путем совершенствования формы изгибов трубопроводов выпускной системы.

Основные требования, предъявляемые к впускному тракту, заключаются в обеспечении минимального сопротивления на впуске и равномерном распределении горючей смеси по цилиндрам двигателя.

Обеспечение минимального сопротивления на впуске достигается путем устранения шероховатости внутренних стенок трубопроводов, а также резких изменений направления потока и устранения внезапный сужений и расширений тракта. Поскольку гидравлические потери в проходном сечении выпускных клапанов оказывают на наполнение цилиндров значительно меньшее влияние, чем потери в проходном сечении впускных, то для увеличения коэффициента наполнения диаметр впускного клапана увеличивают за счет уменьшения диаметра выпускного. В наиболее форсированных двигателях на один цилиндр делают 2, а иногда даже 3 впускных клапана.

Выбор количества впускных клапанов в головке цилиндров делается с учетом многих факторов. Для лучшей закрутки воздушного заряда на впуске автомобильных дизельных двигателей с диаметром цилиндра менее 150 мм применяют головки цилиндров со спиральными впускными каналами и одним впускным клапаном на цилиндр. В этом случае интенсивность вращения заряда в цилиндре оказывается в 1,5 и более раз выше, чем при наличии двух впускных клапанов. Некоторым уменьшением значения при наличии одного впускного клапана на цилиндр при этом пренебрегают, так как воздуха для полного сгорания поданного в цилиндр топлива оказывается вполне достаточно. Форма спирали впускного канала подбирается такой, чтобы закрутка заряда обеспечивала наиболее эффективное смесеобразование. Попутно заметим, что в процессе пуска дизельного двигателя при низких температурах окружающей среды закрутка заряда приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения топлива, что ухудшает пусковые качества двигателя [1].

Добиться улучшения пусковых качеств двигателя можно путем установки шибера между впускными патрубками и впускными каналами. На период пуска шибер ставится водителем в положение, при котором площадь сечения впускных каналов в головке цилиндров перекрывается примерно на 80%. Этого оказывается достаточно для того, чтобы уменьшить вращение заряда в цилиндре и обеспечить надежный пуск дизельного двигателя (без применения прочих средств облегчения пуска) при температуре окружающей среды до - 21° С.

В бензиновых двигателях, наоборот, предпочтение отдается более эффективному наполнению цилиндров, так как количество поступившей в цилиндры горючей смеси непосредственно сказывается на мощности. Более высокие значения достигаются при наличии двух впускных клапанов на цилиндр.

Уменьшение сопротивления на впуске за счет уменьшения скорости потока путем увеличения сечений трубопроводов не всегда возможно по нескольким причинам. Во-первых, при увеличении сечений трубопроводов возрастают габариты и масса двигателя, во-вторых, снижение скорости потока уменьшает турбулизацию свежего заряда при поступлении его в цилиндры, в результате чего происходит ухудшение качества смесеобразования как в бензиновых, так и в дизельных двигателях.

Для равномерного распределения свежего заряда по цилиндрам впускному тракту придают симметричную форму. Наиболее важно это для двигателей с внешним смесеобразованием, у которых процесс смесеобразования начинается в карбюраторе. При таком смесеобразовании важно обеспечить не только равномерное наполнение цилиндров, но и одинаковый качественный состав поступающей в цилиндры смеси. По этой причине в карбюраторных двигателях впускная система должна иметь не только пространственную симметрию, но и симметрию по времени. Последнее означает, что проходящая через дроссельную заслонку порция смеси должна подходить к впускным каналам всех цилиндров за одинаковое время. Возможные схемы расположения впускных трубопроводов показаны на рис. 3.1.

На рис. 3.1 а, показана наиболее распространенная схема, при использовании которой в цилиндры 2 и 3 поступает более обогащенная смесь, что особенно характерно при работе двигателя на частичных нагрузках. Это обусловлено тем, что при недостаточно высокой скорости воздушного потока на внутренних стенках впускного коллектора за карбюратором образуется пленка топлива. Эта пленка, особенно при низкой температуре окружающей среды, не всегда успевает испариться и достигает впускных каналов в головке цилиндров, - в первую очередь тех, расстояние до которых короче.

Рисунок 3.1 - Схема впускного коллектора: а - с пространственной симметрией; б - с пространственно-временной симметрией: 1 - впускной коллектор; 2 - блок цилиндров двигателя; 3 - выпускной коллектор

Однако и в случае впускного коллектора с пространственно-временной симметрией (рис. 3.1, б) поступающая в цилиндры двигателя горючая смесь при работе на частичных нагрузках также может существенно отличаться по составу. Причина этого явления в том, что при частичном открытии дроссельной заслонки происходит отклонение потока горючей смеси от прямолинейного движения. В результате такого отклонения наиболее обогащенная смесь поступает в те цилиндры, в сторону которых поток отклоняется.

Уменьшить влияние положения дроссельной заслонки на распределение смеси по цилиндрам позволяют предварительный подогрев смеси от стенок впускного тракта и изменение направления потока топливо-воздушной смеси.

Подогрев стенок ускоряет процесс испарения бензина и способствует образованию смеси более равномерного состава. Обычно подогрев стенок впускного тракта осуществляется или жидкостью системы охлаждения двигателя, или за счет теплоты выпускного коллектора, когда системы впуска и выпуска располагаются с одной стороны блока цилиндров.

Изменение направления воздушного потока для обеспечения более равномерного состава смеси на впуске в цилиндры использовалось, в частности, на 4-цилиндровых бензиновых двигателях М40, устанавливавшихся на автомобили BMW 316i и 318i до августа 1993 г. После воздушной заслонки воздух поступал в центральную часть впускного коллектора, расположенного над клапанными форсунками (инжекторами), откуда распределялся по цилиндрам через впускные патрубки определенной длины, изменявшими направление воздушного потока на 180°.

И все же внутреннее сопротивление и трение о стенки движущегося потока воздуха - это только один, хотя и немаловажный, аспект при рассмотрении впускного тракта. Для улучшения коэффициента наполнения намного важнее использовать возникающие во впускной системе волновые явления. Эти волновые явления возникают во впускных трубопроводах в результате цикличного поступления воздуха в цилиндры двигателя. Когда впускная система является общей для нескольких цилиндров, то волновые явления во впускном патрубке одного цилиндра сказываются на колебательных процессах в патрубках остальных цилиндров. И чем больше цилиндров объединяет одна впускная система, тем труднее выполнить ее настройку, в том числе и по причине ограниченности объема моторного отсека.

Конструкция эффективной впускной системы часто является результатом сложных расчетов волновой системы, которые непременно должны проверяться экспериментально. Крайне важной для характеристики мощности и крутящего момента оказывается длина впускного (волнового) трубопровода. Принципиальным при этом является то, что короткие впускные трубопроводы смещают максимум наполнения, характеризуемый коэффициентом наполнения , в область высоких частот вращения KB, а длинные впускные трубопроводы обеспечивают хорошее наполнение и соответственно высокий крутящий момент при низких частотах. С учетом этого двигатели гоночных автомобилей, рассчитанные на максимальную мощность, снабжаются, как правило, относительно короткими впускными трубопроводами. Двигателям грузовых автомобилей, которые должны развивать хорошую силу тяги при низкой частоте вращения KB, требуются волновые трубопроводы большей длины. При этом длинные трубопроводы улучшают наполнение цилиндров в области низкой частоты вращения, однако при увеличении частоты вращения KB кривая мощности становится более пологой (рост мощности замедляется), а крутящий момент может сильно снизиться. Таким образом, при жестких, нерегулируемых впускных трубопроводах имеет место обычная альтернатива: или хороший крутящий момент в диапазоне низких частот вращения и пониженная номинальная мощность, или высокая номинальная мощность и уменьшенная сила тяги при низких частотах вращения КВ.

В некоторых случаях впускные волновые трубопроводы, расположенные перед впускными клапанами, берут свое начало из общего впускного коллектора, где они имеют форму направляющего патрубка. Например, V-образный 8-цилиндровый двигатель фирмы Chevrolet, подвергнутый тюнингу фирмой Marcos, имеет отдельную впускную систему для каждого блока цилиндров. Волновые трубопроводы сравнительно длинные и берут начало из соответствующих общих впускных коллекторов, расположенных над блоками цилиндров. Поступление воздуха во впускные коллекторы осуществляется по трубопроводам, заборники которых расположены по обе стороны радиатора системы охлаждения. Это позволяет улучшить наполнение цилиндров двигателя за счет скоростного напора ветра, возникающего при большой скорости движения автомобиля.

Иногда волновым впускным трубопроводам придается коническая форма (на пути от коллектора к цилиндру поперечное сечение впускного трубопровода уменьшается), благодаря чему по мере приближения воздушного потока к впускным клапанам происходит его ускорение. Такая конструкция впускного тракта реализована, в частности, у 4-цилиндрового 16-клапанного двигателя фирмы Opel (Manta 400 2.4E-4V).

Исходя из сказанного выше, в двигателях гоночных автомобилей, как правило, отказываются от взаимного влияния волновых процессов, возникающих при наполнении цилиндров, и впускной патрубок каждого цилиндра настраивают индивидуально. При этом заборник впускного трубопровода, имеющего необходимую для получения желаемой характеристики мощности длину, начинается в направляющем воздушный поток коробе, расположенном снаружи автомобиля, или же в настолько большом коллекторе, расположенном в моторном отсеке, в котором цикличность работы цилиндров не может вызвать колебаний воздушного потока. Таким образом, короткая длина впускных волновых трубопроводов гоночных двигателей свидетельствует о настройке этих двигателей на максимальную мощность. Наглядными примерами использования подобных конструктивных решений в гоночных автомобилях являются двигатели Ford Cosworth V8 и оппозитный Ferrari 12, имеющие рабочий объем 3 л.

У двигателей легковых автомобилей в зависимости от того, сколько цилиндров объединяет один впускной коллектор, в результате наложения колебаний газа возникают различные перепады давления. Последние, в свою очередь, обусловливают существенно отличающиеся характеристики крутящего момента у различных конструкций двигателей. Например, 3-цилиндровые двигатели с общим впускным коллектором имеют очень ранний и высокий максимум крутящего момента, который при возрастании частоты вращения KB резко падает. Это указывает на то, что при низкой частоте вращения наполнение цилиндров очень хорошее, тогда как при высокой, наоборот, неудовлетворительное. 4-цилиндровые двигатели имеют более широкий диапазон частоты вращения KB, в котором сохраняется большое значение крутящего момента.

Момент рано начинает расти, но достигает своего максимума большей частью уже после некоторого промежуточного пика при повышенной частоте вращения. 6-цилиндровые двигатели имеют слабый рост крутящего момента, выразительный максимум которого достигается лишь при высокой частоте вращения КВ. 5-цилиндровые двигатели по характеристике крутящего момента занимают промежуточное положение между 4- и 6-цилиндровыми двигателями.

Из сказанного можно сделать вывод, что идеальным для автомобильного двигателя был бы впускной трубопровод переменной длины, который позволяет развивать повышенную мощность при высокой частоте вращения KB (длина трубопровода минимальная) и максимальный крутящий момент в диапазоне низких и средних частот вращения (длина трубопровода увеличенная). Т.е. требуются впускные трубопроводы, которые имели бы оптимальную длину при любой частоте вращения KB двигателя. Тогда аналогично тромбону можно было бы вдвигать трубы одна в другую, с тем чтобы бесступенчато изменять длину волнового трубопровода от впускного клапана до впускного коллектора. В качестве примера на рис. 3.2 и рис. 3.3 показаны схемы систем впуска с регулируемой длиной волновых трубопроводов для 6-цилиндровых двигателей с различным расположением цилиндров.

В приведенных схемах один резонатор объединяет группу из трех цилиндров, вспышки в которых следуют равномерно через 240° ПКВ. Длина и площадь поперечного сечения впускных патрубков, берущих начало ^из резонаторов, обычно принимаются такими же, как и в штатной системе впуска. Для уменьшения сопротивления на впуске начальная часть впускных патрубков выполняется в форме раструба.

Площадь сечения резонансного трубопровода стремятся задать такой, чтобы при допустимой длине трубопровода (с точки зрения габаритных размеров) он обеспечивал приемлемые гидравлические потери. Наиболее существенное влияние на настройку волновой системы оказывают объем резонатора и длина резонансного трубопровода.

Рисунок 3.2 - Схема системы впуска одноблочного дизельного двигателя с волновым наддувом: 1 - турбокомпрессор; 2 - холодильник наддувочного воздуха; 3-ресивер; 4-резонатор; 5 - телескопическое колено волнового трубопровода; 6 - блок цилиндров двигателя

Рисунок 3.3 - Схема системы впуска двухблочного дизельного двигателя с волновым наддувом: 1 - турбокомпрессор; 2 - холодильник наддувочного воздуха; 3-ресивер; 4 - резонатор левого (Л) блока цилиндров; 5-резонатор правого (П) блока цилиндров; 6 - телескопические колена волновых трубопроводов

При этом в зависимости от частоты настройки чувствительность системы на изменение длины резонансного трубопровода в 1,5-2,0 раза выше, чем на изменение объема резонатора. По этой причине целесообразно выполнить резонатор в виде части штатного впускного коллектора.

Однако в реальных эксплуатационных условиях реализовать такие постоянно регулируемые впускные системы для автомобильных двигателей достаточно трудно не только с точки зрения затрат, но и сложности исполнительного механизма, а также его срока службы. Поэтому на практике реализуются более простые системы с перепуском части наддувочного воздуха на вход турбины, а также двухступенчатые впускные трубопроводы с различной длиной или соответственно с неодинаковыми поперечными сечениями. Какую из этих форм впускного трубопровода выбрать, зависит не только от конструкции соответствующего двигателя, но и от количества его цилиндров. Количество цилиндров играет здесь важную роль, так как оно определяет форму волны и силу пульсаций во впускной системе.

В качестве примера на рис. 3.4 показана схема волнового наддува, при реализации которой энергия, необходимая для регулирования расхода наддувочного воздуха через турбину, создается в результате пульсаций газа на впуске и выпуске. Использование такой схемы наддува позволяет улучшить приёмистость автомобильного двигателя.

Длина и объем резонаторов 5 подбираются с учетом характерных режимов работы двигателя. При выходе двигателя на режим номинальной мощности возвратные клапаны 7 автоматически закрываются.

Хороший крутящий момент можно получить, если возникающие при закрытии впускных клапанов ударные волны или пульсации потока использовать для дозарядки других цилиндров. Чем больше цилиндров (ударных волн) объединяет один впускной коллектор, тем незначительнее эффект дозарядки, так как пульсации в коллекторе взаимно выравниваются. Наиболее эффективно такая система функционирует у 3-цилиндрового двигателя, так как здесь одновременно с закрытием одного впускного клапана начинает открываться другой.

Рисунок. 3.4 - Схема системы впуска с волновым наддувом и перепуском наддувочного воздуха: 1 - турбокомпрессор; 2 - холодильник наддувочного воздуха; 3-эжектор; 4-ресивер; 5-резонатор; 6 - блок цилиндров двигателя; 7 - возвратный клапан

Рисунок 3.5 - Схема коллектора с переключаемой длиной трубопроводов для V-образного двигателя: 1 - впускной коллектор; 2 - заслонка переключения длины впускных трубопроводов; I - короткий трубопровод; II - длинный трубопровод

Так как характеристика, а также максимальное значение крутящего момента зависят в первую очередь от колебательных процессов во впускном трубопроводе, то определение его размеров и особенно эффективной длины приобретает большое значение. В качестве эффективной длины, которая оказывает влияние на колебания потока воздуха, считается размер впускного трубопровода от воздушного коллектора до клапана в головке цилиндров. Диаметр впускного трубопровода на пути к впускным клапанам должен постоянно уменьшаться (коническая форма трубопровода), что придает воздушному потоку ускорение. Длина и поперечное сечение впускного трубопровода зависят, во-первых, от объема отдельного цилиндра, и, во-вторых, от желаемой характеристики мощности. Непреложным при этом является следующее: чем меньше объем цилиндра, тем меньше объем впускного трубопровода, а следовательно, его длина и поперечное сечение.

Современные впускные системы часто являются сложными, дорогостоящими конструкциями. Впускные трубопроводы двигателя V6 фирмы Audi имеют переключаемую с помощью заслонок длину и неодинаковые поперечные сечения [2]. Схема такого впускного коллектора показана на рис. 3.5.

Воздух после воздушного фильтра поступает в центральную часть впускного коллектора. При положении заслонок 2, обозначенном пунктирной линией, действуют длинные впускные трубопроводы II протяженностью около 780 мм и поперечным сечением примерно 800 мм², которые обеспечивает высокий крутящий момент в зоне низкой частоты вращения КВ. При частоте 4000 1 / мин заслонки 2 перекрывают сечение длинных трубопроводов (на схеме соответствующее положение заслонки показано основной линией). Теперь короткий трубопровод I (длина около 380 мм и поперечное сечение примерно 1200 мм²) позволяет создать высокую максимальную мощность. Важным является то, заслонка располагается в месте, где обе кривые воздушных потоков пересекаются. В противном случае при переключении трубопроводов возникает разрыв потока, что при движении автомобиля ощущается как толчок. Аналогичными переключаемыми впускными трубопроводами оснащаются и V-образные 6-цилиндровые бензиновые двигатели, устанавливаемые на некоторые автомобили класса Е фирмы Mercedes.

Более простое по конструкции, но достаточно эффективное решение используется на некоторых рядных 6-цилиндровых двигателях. Во впускном коллекторе этих двигателей установлена разделительная заслонка, которая при низкой частоте вращения KB закрывается и делит коллектор на 2 части. При этом каждая часть впускной системы 6-цилиндрового двигателя обслуживает всего 3 цилиндра, в результате чего возникает волновой эффект, имеющий место в 3-цилиндровом двигателе. Таким образом, благодаря возникающему резонансному наддуву, при закрытой разделительной заслонке обеспечивается увеличение крутящего момента. Примерная схема такой системы показана на рис. 3.6.

тюнинг автомобильный двигатель

Рисунок 3.6 - Схема системы впуска сразделяемым впускным коллектором: 1 - воздухозаборник; 2 -воздушный фильтр; 3 - разделительная заслонка; 4 - впускной коллектор; 5 - блок цилиндров двигателя; 6 - выпускные коллекторы

Управление разделительной заслонкой может осуществляться как электромагнитным клапаном по сигналу блока управления (двигатели Omega 3000 и Senator фирмы Opel, двигатели автомобилей 280Е и 320Е фирмы Mercedes), так и исполнительным механизмом, срабатывающим в зависимости от разрежения во впускном коллекторе (двигатель М5 фирмы BMW).

Практически у всех названных двигателей начиная с частоты вращения примерно 4000 1 / мин разделительная заслонка открывается, и в результате этого форма волн изменяется так, что достигается высокая мощность. В зависимости от конструкции и настройки впускной системы можно получить дальнейшее увеличение мощности, если при очень высокой частоте вращения, начиная с 6000 1 / мин, заслонку снова закрыть. Подобная система одинаково эффективна на двигателях как с двумя, так и четырьмя клапанами на цилиндр.