3 172 925 чел. (2021 г. Игорь Скрипник Тюнинг автомобиля своими руками Издательство аст 2012 удк 629. 33 Ббк 39. 33
 Скачать 408.29 Kb.
|
|
Рис. 2. Подбор эффективных фаз газораспределения для широкого диапазона частоты вращения KB В качестве отправного момента в первом приближении для автомобильных двигателей можно принять ФГР, приведенные в таблице 3. Однако фазы газораспределения можно выставить точно лишь в том случае, когда ука- зывается, при каком значении зазора в приводе клапанов эти фазы имеют место. Нужно еще учитывать то, что карбюраторные двигатели имеют свои особенности: слишком раннее откры- тие впускных клапанов при работе на частичных нагрузках ведет к забросу отработавших газов во впускной трубопровод, что ухудшает воспламеняемость горючей смеси. Таблица 3 Фазы распределения автомобильных двигателей Это не единственный способ расширения скоростного диапазона устойчивой работы наиболее высокооборотных бензиновых двигателей. В отдельных случаях применяется авто- матическая регулировка фаз газораспределения во всем диапазоне частоты вращения KB непосредственно во время работы двигателя. В качестве примера В. Н. Степанов ссылается на устанавливаемый на автомобили BMW 320i и 325i однорядный 6-цилиндровый бензино- вый двигатель М-50, который (начиная с сентября 1992 г.) оснащен механизмом динамиче- ской регулировки фаз газораспределения, получившим сокращенное обозначение VANOS (от немецкого словосочетания variable Nockenwellensteuerung). Исполнительный механизм вклю- чает 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. Переме- щение поршня и его штока в направлении оси распределительного вала приводит к измене- нию взаимного положения зубчатого колеса и вала. При этом ход поршня и обусловленное им изменение положения распределительного вала зависят от давления масла, подводимого к кор- пусу 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. Применение этого механизма позволило уменьшить значение скоростного коэффици- ента kc с 0,797 до 0,712 при практически неизменном значении коэффициента приспособляе- мости k = 1,074. В данном случае механизм VANOS, плавно изменяя момент открытия впуск- ных клапанов в зависимости от скоростного режима, обеспечивает максимальные значения n v во всем диапазоне частоты вращения КВ. Качественный характер изменения n v в зависимости от вида регулировки показан на рисунке 3. Из рисунка видно, что с увеличением частоты вращения KB максимальное значение n v имеет тенденцию к снижению вследствие возрастания аэродинамических потерь из-за повы- шения скорости воздушного потока во впускном тракте. И. Скрипник. «Тюнинг автомобиля своими руками» 14 Рис. 3. Изменение коэффициента наполнения при работе двигателя по внеш- ней скоростной характеристике при быстроходной (1) и тихоходной (2) регулировке фаз газораспределения К сожалению, подобный тюнинг ГРМ под силу выполнить только самому предприя- тию-изготовителю двигателя, так как для этого требуется мощная экспериментальная и про- изводственная база. Обычному предприятию автосервиса доступен разве что подбор эффек- тивных 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. Тем не менее, и в этом случае игра стоит свеч. И. Скрипник. «Тюнинг автомобиля своими руками» 15 Распредвал для форсированного двигателя Существуют три важных характеристики конструкции распредвала, которые управляют кривой мощности двигателя: величина подъема клапанов, продолжительность открывания клапана и фазы газораспределителя распредвала. Подъем клапана измеряется в миллиметрах и представляет собой максимальное расстояние, на которое клапан отходит от седла. Продол- жительность открывания клапанов – это отрезок времени, измеряемый в градусах поворота коленчатого вала. Продолжительность можно измерить несколькими различными путями, но из-за того, что поток минимален при малом подъеме клапана, продолжительность обычно измеряется после того, как клапан поднялся от седла на малую величину, часто составляющую 0,5 или 1,2 мм. К примеру, конкретный распредвал может иметь продолжительность открыва- ния в 250° поворота при подъеме в 1,27 мм. Таким образом, при использовании подъема толкателя в 1,27 мм, в качестве точек начала и остановки подъема клапана, распредвал будет удерживать клапан открытым в течение 250° поворота коленчатого вала. Если продолжительность открывания клапана измеряется при нулевом подъеме (когда он находится у седла или только отходит от него), то продолжитель- ность будет составлять 330° или более; положения коленчатого вала в моменты, когда опреде- ленные клапаны открываются или закрываются, часто называются фазами газораспределения распределительного вала. К примеру, распредвал может открывать впускной клапан при 30° до ВМТ и закрывать его при 70° после НМТ. Каждый из этих критериев конструкции связан с другими, и модификация одного повли- яет на то, как другие улучшат или ухудшат работу двигателя. Но, вообще говоря, увеличение подъема клапана и продолжительности его открывания или оптимизация фаз газораспределе- ния увеличивают мощность. После небольшого увеличения типичных данных стандартного агрегата кривая мощности смещается выше в область оборотов. Когда продолжительность открывания и, в меньшей степени, подъем увеличиваются еще больше, двигатель может быть даже не способен работать на низких оборотах. «Гоночные» распредвалы с большой продол- жительностью открывания часто имеют низкооборотный предел «холостого хода» 2000 об/мин или даже выше. Распредвалы с большой продолжительностью открывания можно сделать более «граж- данскими» путем изменения времени открывания и закрывания клапанов, но жертвой ком- промисса станет максимальная мощность. Из трех главных характеристик, регулируемых рас- предвалом, – продолжительности открывания клапанов, высоты подъема клапанов и фаз газораспределения – именно продолжительность открывания наиболее хорошо известна кон- структорам форсированных двигателей. Это является следствием прямого влияния продолжи- тельности открывания клапанов на мощность двигателя. Из общих соображений можно сказать, что чем дольше удерживаются открытыми кла- паны (особенно впускной клапан), тем большая максимальная мощность двигателя будет в результате получена. Если продолжительность открывания клапана увеличивается более опре- деленной величины, дополнительная максимальная мощность будет получена ценой качества работы двигателя на низких оборотах. Для гоночных двигателей максимальная мощность явля- ется практически единственной целью, но для «обычных» автомобилей с форсированными двигателями очень важными являются приемистость и крутящий момент на низких оборотах. Увеличение высоты подъема клапана может быть полезным вкладом в увеличение мощ- ности, т. к. оно может добавить мощность без существенного влияния на характеристики двигателя на низких оборотах. В теории решение может показаться простым: конструкция распредвала с короткой продолжительностью открывания клапанов для увеличения макси- мальной мощности. Теоретически это будет работать. Однако, механизмы привода клапанов не И. Скрипник. «Тюнинг автомобиля своими руками» 16 такие простые. В этом случае высокие скорости движения клапанов существенно уменьшают надежность двигателя. Когда продолжительность открывания клапана уменьшается, то на перемещение клапана из закрытого положения (у седла) до полного подъема и возвращения обратно остается меньше времени. Когда продолжительность становится еще короче, потребуются клапанные пружины с увеличенным усилием, и часто становится механически невозможным приводить в движение клапаны даже при относительно низких оборотах. Таким образом, какое все-таки значение высоты максимального подъема клапана явля- ется практичным и надежным? Распредвалы с величиной подъема, большей 12,7 мм, находятся в той области, которая непрактична для обычных двигателей (как минимум для двигателей со штангами в приводе клапанов). Распредвалы с продолжительностью такта впуска менее 2850, сочетающейся с величиной подъема клапана более 12,7 мм, обеспечивают очень высокие ско- рости открывания и закрывания клапанов. Это создает нагрузки на механизм привода клапа- нов, что заметно уменьшает надежность кулачков распредвала, клапанных пружин, стержней клапанов, направляющих втулок клапанов. Хотя вал с высокими скоростями подъема клапа- нов может хорошо работать в начале эксплуатации, срок службы его и направляющих втулок клапанов может не превышать 20000 км. К счастью, большинство фирм-производителей рас- предвалов конструируют валы так, что обеспечивается хороший компромисс между значени- ями подъема и продолжительности открывания клапанов, при значительном сроке службы и надежности. Наиболее подробно обсуждаемые высота подъема клапанов и продолжительность такта впуска не являются единственными характеристиками конструкции распредвала, которые вли- яют на выходную мощность двигателя. Моменты, в которые клапаны открываются и закры- ваются по отношению к положению распределительного вала, являются такими же важными параметрами для оптимизации характеристик двигателя. Эти фазы газораспределения рас- предвала указаны в таблице, прилагаемой к любому качественному распредвалу. Эта таблица данных числами и графически иллюстрирует угловые положения распредвала, когда впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются. Они определяются точно в градусах пово- рота коленчатого вала перед (или после) ВМТ или НМТ. Продолжительность открывания клапанов можно легко рассчитать из данных по фазам газораспределения, имеющихся в таблице. К примеру, для определения продолжительности открывания впускного клапана сложите момент открывания (в градусах перед ВМТ), момент закрывания (в градусах после НМТ) и 180° (продолжительность всего такта впуска). Если рас- предвал открывает впускной клапан в 27° до ВМТ и закрывает его в 63° после НМТ, то про- должительность открывания клапана будет составлять 27 + 63 + + 180 = 270°. Теперь подробнее рассмотрим соотношения фаз газораспределения распредвала с мощ- ностью. Предположим, что у нас есть два распредвала – валы А и В. Оба вала имеют одина- ковую продолжительность открывания клапана в 270°, и они оба имеют одинаковую форму впускных и выпускных кулачков. Распредвалы такого типа обычно относят к конструкциям с «одним профилем». Однако распредвалы такого типа А и В не идентичны. Вал А имеет кулачки, расположенные так, что впускной клапан открывается за 27° до ВМТ и закрывается в 63° после НМТ, а выпускной клапан открывается за 71° до НМТ и закрывается в 19° после ВМТ. Для облегчения чтения можно представить эти данные по фазам газораспределения впускных и выпускных клапанов как 27–63 – 71–19. Вал В, соответственно, имеет фазы газо- распределения 23–67 – 75–15. Вопрос состоит в следующем: если установить эти распредвалы на наш испытываемый двигатель, как они повлияют на мощность? Ответ будет таким: вал А, вероятно, обеспечит большую мощность, но двигатель будет иметь более узкую кривую мощности и худшие харак- теристики в режимах холостого хода/частичного открывания дроссельной заслонки, чем вал В. И. Скрипник. «Тюнинг автомобиля своими руками» 17 Почему? Изменения в работе этих двух распредвалов, очевидно, не связаны с продолжитель- ностью открывания клапанов или величиной их подъема: оба эти параметра остаются одина- ковыми. Различия в кривых мощности являются результатом изменений в фазах газораспре- деления или, что более обще, в углах между центрами кулачков для каждого распредвала. Угол между центрами кулачков является угловым смещением между центральной линией кулачка впускного клапана (часто называемого просто впускным кулачком) и централь- ной линией кулачка выпускного клапана (называемого выпускным кулачком). Угол соответствующего цилиндра обычно измеряется в углах поворота распределитель- ного вала, так как мы обсуждаем смещение кулачков относительно друг друга, которое явля- ется одним из нескольких моментов, когда характеристика распредвала указывается в градусах поворота распредвала, а не в градусах поворота коленчатого вала. Это не касается двигателей, использующих два распредвала в головке блока цилиндрoв. Угол непосредственно влияет на перекрытие клапанов, т. е. на период, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Перекрытие клапанов измеряется в углах пово- рота коленчатого вала. Когда угол между центрами кулачков уменьшается, то моменты закры- вания выпускного клапана и открывания впускного клапана будут перекрываться больше. Следует помнить, что на перекрытие клапанов также влияет изменение продолжительно- сти открывания: когда продолжительность открывания увеличивается, перекрытие клапанов тоже увеличивается, обеспечивая отсутствие изменений угла для компенсации этих увеличе- ний. И. Скрипник. «Тюнинг автомобиля своими руками» 18 Тюнинг впускного тракта системы питания Это также один из сложнейших видов реконструкции двигателя. Впускной тракт служит для подвода свежего заряда (горючей смеси или воздуха) к цилиндрам двигателя. Он включает в себя заборник атмосферного воздуха, впускные трубопроводы, воздушный фильтр, устанав- ливаемый в разрыв впускных трубопроводов, впускной коллектор, впускные патрубки и впуск- ные каналы головки цилиндров. В карбюраторных двигателях перед впускным коллектором располагается карбюратор, поэтому часть впускного тракта от карбюратора до впускных кла- панов оказывает существенное влияние на процесс смесеобразования и распределения горю- чей смеси по цилиндрам двигателя. Почему специалистов по тюнингу интересует именно этот элемент двигателя? Дело в том, что параметры впускного тракта оказывают очень сильное влияние на характер измене- ния мощности и крутящего момента. За счет правильного определения размеров трубопрово- дов и настройки впускного тракта можно добиться значительно большего наполнения цилин- дров, чем, к примеру, путем совершенствования формы изгибов трубопроводов выпускной системы. Основные требования, предъявляемые к впускному тракту, заключаются в обеспече- нии минимального сопротивления на впуске и равномерном распределении горючей смеси по цилиндрам двигателя. Чтобы обеспечить минимальное сопротивление на впуске, необходимо устранить шеро- ховатости внутренних стенок трубопроводов. Кроме того, эффект минимального сопротив- ления достигается также путем резких изменений направления потока и устранения внезап- ных 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 n v диа- метр впускного клапана увеличивают за счет уменьшения диаметра выпускного. Увеличить мощность двигателя можно с помощью увеличения количества впускных кла- панов. В наиболее форсированных двигателях на один цилиндр делают два, а иногда даже три клапана. Однако это не означает, что проблема решается простым добавлением клапанов. Все гораздо сложнее. Выбор количества впускных клапанов в головке цилиндров делается с учетом многих факторов. Для лучшей закрутки воздушного заряда на впуске автомобильных дизель- ных двигателей с диаметром цилиндра менее 150 мм применяют головки цилиндров со спи- ральными впускными каналами и одним впускным клапаном на цилиндр. В этом случае интен- сивность вращения заряда в цилиндре оказывается в 1,5 раза и более выше, чем при наличии двух впускных клапанов. Некоторым уменьшением значения n v 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 подби- рается такой, чтобы закрутка заряда обеспечивала наиболее эффективное смесеобразование. Работникам автосервиса, выполняющим подобные работы, необходимо знать, что в про- цессе пуска дизельного двигателя при низких температурах окружающей среды закрутка заряда приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения топлива, что ухудшает пусковые качества двигателя. Добиться улучшения пусковых качеств можно путем установки шибера между впускными патрубками и впускными каналами. На период пуска шибер ста- вится 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 °C. В бензиновых двигателях, наоборот, предпочтение отдается более эффективному наполне- нию цилиндров, так как количество поступившей в цилиндры горючей смеси непосредственно И. Скрипник. «Тюнинг автомобиля своими руками» 19 сказывается на мощности. Более высокие значения n v достигаются при наличии двух впускных клапанов на цилиндр. Однако решить данную проблему можно не во всех автомобилях. Уменьшение сопро- тивления на впуске за счет уменьшения скорости потока путем увеличения сечений трубо- проводов 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 дви- гателях. Впускной тракт претерпевает несколько существенных изменений. В своем пособии по тюнингу двигателей В. Н. Степанов описывает следующие изменения. На наш взгляд они имеют важное значение при увеличении мощности. Для равномерного распределения свежего заряда по цилиндрам ему придают симметричную форму. Наиболее важно это для двигате- лей с внешним смесеобразованием, у которых процесс смесеобразования начинается в кар- бюраторе. 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 простран- ственную 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 рисунке 4. Схема с пространственной симметрией является наиболее распространенной. При ее использовании 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 ско- рости воздушного потока на внутренних стенках впускного коллектора за карбюратором обра- зуется 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. |