Тюнинг автомобиля своими руками

Поскольку Vs = рD

S/4, то очевидно, что увеличение диаметра цилиндра D оказывает на повышение мощности большее влияние, чем такое же увеличение хода поршня S. Если принять во внимание, что многие автомобильные двигатели имеют резерв для увеличения диаметра поршня без изменения внешних габаритов блока цилиндров (т. е. за счет расточки цилиндровых втулок под поршни увеличенного диаметра), то этот путь для тюнинга двигателя выглядит достаточно привлекательным.

Наконец, повысить мощность двигателя можно за счет увеличения среднего эффективного давления. Наиболее действенным способом увеличения Pme является наддув. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.

Рассмотрим некоторые результаты увеличения рабочего объема двигателя, устанавливаемого на наиболее популярные модели автомобилей ВАЗ.

Увеличение хода поршня с 71 мм до 74,8 мм путем замены KB на новый, с противовесами на всех щеках, и доработка клиновидной камеры сгорания двигателя ВАЗ-21083 позволяют увеличить его рабочий объем с 1500 см

до 1600 см

. Заметим, что наличие противовесов на всех щеках KB позволяет разгрузить коренные подшипники двигателя от действия центробежных сил инерции неуравновешенных вращающихся масс и тем самым увеличить срок их службы. Чтобы сохранить неизменной степень сжатия, имеющийся комплект поршней или дорабатывается, или заменяется на новый. Одновременно несколько увеличивается объем камеры сгорания в головке цилиндров. При доработке днище поршней обтачивается, в результате чего высота головки поршня уменьшается на 1,5 мм. Утопание поршней при положении их в ВМТ относительно торца блока цилиндров не должно превышать 0,1 мм.

При увеличении частоты вращения KB с 5550 1/мин до 5800 1/мин мощность двигателя возрастает с 52,3 кВт (71 л. с.) до 62,6 кВт (85 л. с.). Максимальный крутящий момент двигателя в диапазоне средних и низких частот вращения KB увеличивается на 10 %. В результате выполненного тюнинга коэффициент приспособляемости уменьшается со значения k =1,18 до k =1,15. Полученные результаты достигаются при соответствующей настройке и регулировке систем питания и зажигания двигателя. У двигателя с системой впрыскивания производится, кроме того, замена программы управления.

Для придания двигателю ВАЗ-21083 «спортивного характера», при котором сохраняются названные выше преимущества в диапазоне средних и низких частот вращения KB, а мощность повышается до 69,9 кВт (95 л. с.) при 6200 1/мин с сохранением «эластичности» во всем диапазоне нагрузок – настройка «спорт», в дополнение к уже перечисленным мероприятиям В. Н. Степанов предлагает провести следующие работы. Имеющиеся поршни заменяются на «спортивные», изготовленные методом ковки, с эксцентричным расположением отверстия под поршневой палец. Стандартный распределительный вал заменяется на новый, обеспечивающий ход клапанов 10,26 мм. Клапаны регулируются на новую базу распределительного вала. Для тонкой настройки фаз газораспределения на распределительный вал устанавливается разрезная шестерня, зубчатый венец которой можно перемещать относительно ступицы. Впускные и выпускные каналы головки цилиндров спрямляются и увеличиваются в сечении, после чего подвергаются полированию. Контуры фланцев впускных и выпускных каналов в головке цилиндров и обоих коллекторов обрабатываются по шаблону, после чего их центрирование производится посредством штифтов. Для улучшения теплоотвода от клапанов их чугунные направляющие в головке цилиндров заменяются на бронзовые. Для уменьшения сопротивления на впуске-выпуске радиус перехода от стержня клапана к его головке уменьшается.

Тюнинг двигателя ВАЗ-21083 в указанном объеме еще не позволяет раскрыть полностью его имеющийся потенциал. При наличии системы впрыскивания мощность двигателя может быть доведена до 81 кВт (110 л. с.). Справедливости ради следует отметить, что при этом не удается сохранить «эластичность» работы двигателя во всем диапазоне нагрузок – до частоты вращения 2500 1/мин наблюдаются «провалы». Однако такой двигатель может доставить настоящее удовольствие любителям спортивной езды. Для получения указанной мощности тюнинг двигателя включает следующие дополнительные мероприятия: установка впускного коллектора объемом 3 л, стандартный распределительный вал заменяется на новый, обеспечивающий ход клапанов 11,2 мм.

При выполнении всех этих мероприятий удается устранить ряд недостатков, заложенных в двигатель на стадии производства, и при сохранении его ресурса и ремонтопригодности существенно увеличить мощность за счет внесения конструктивных изменений, разработанных для двигателей спортивных автомобилей.

Наддув двигателя

Также для увеличения мощности двигателя применяют наддув. Мощность двигателя с наддувом в значительной мере пропорциональна давлению наддува. Это позволяет ориентировочно оценить значение мощности, получаемое при наддуве двигателя, по формуле: Pek = Pe (р

/ рo), где Pek – мощность двигателя с наддувом; Pe – мощность двигателя без наддува; р

– абсолютное давление наддува; рo – атмосферное давление.

Применение наддува влечет за собой увеличение тепловой нагрузки на детали двигателя. Решение этой проблемы может быть достигнуто, например, путем охлаждения поршней маслом через специальные форсунки со стороны картера, а также установкой жаростойких клапанов. Система охлаждения также должна быть рассчитана на отвод большего количества теплоты. Это достигается установкой радиатора большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением – увеличением количества охлаждающего цилиндры воздуха. В зависимости от уровня форсирования двигателя может потребоваться и эффективное охлаждение смазочного масла.

Следует иметь в виду, что при отсутствии наддува мощность наддуваемого бензинового двигателя, как правило, ниже, чем у двигателя без наддува, который не предназначается для наддува. Основная причина здесь в том, что у двигателя с наддувом для предотвращения детонационного сгорания геометрическую степень сжатия несколько уменьшают. Вопрос о правильном выборе степени сжатия для двигателя с наддувом имеет очень важное значение, особенно для бензиновых двигателей.

В этой связи необходимо различать степень сжатия геометрическую е и степень сжатия эффективную ее. Для пояснения напомним формулу для определения геометрической степени сжатия, которая имеет вид е = (Vs + Vc) / Vc, где Vs – рабочий объем цилиндра; Vc – объем камеры сгорания.

То есть геометрическая степень сжатия (далее – степень сжатия) представляет собой отношение полного объема над поршнем (при положении поршня в НМТ) к объему над поршнем при положении его в ВМТ.

В современных автомобильных двигателях стремятся иметь значение степени сжатия максимально возможным, так как при этом достигаются наиболее высокие значения мощности и крутящего момента, а удельный эффективный расход топлива будет меньше. И все же верхнее значение е не может быть безгранично высоким.

В бензиновых двигателях значение е ограничивают из условия недопустимости возникновения детонационного сгорания. Удовлетворяющую этому условию границу называют границей детонации. Граница детонации зависит не только от значения е, но и от других конструктивных параметров двигателя (например, от формы камеры сгорания, количества свечей зажигания на один цилиндр и т. п.), а также качества используемого топлива.

В дизельных двигателях в связи с особенностями процесса смесеобразования (в цилиндре сжимается чистый воздух, а не готовая к сгоранию смесь) проблема возникновения детонационного сгорания отсутствует. Здесь необходимо избегать пониженных значений степени сжатия, с тем чтобы и при неблагоприятных условиях (например, при очень низкой температуре окружающей среды) обеспечить надежное самовоспламенение смеси в цилиндре. Поэтому легковые автомобили оснащаются дизельными двигателями со степенью сжатия от 19 до 23. При этом более высокие значения е назначаются в двигателях с предкамерным и вихрекамерным смесеобразованием, где поверхность камеры сгорания увеличенная. Большие значения е являются основной причиной высокой экономичности дизельных двигателей. Дальнейшее увеличение е не дает существенного выигрыша в экономичности, но требует более жесткой конструкции основных деталей двигателя, а следовательно, увеличения его металлоемкости, что для автомобильного двигателя крайне нежелательно.

Степень сжатия автомобильных дизельных двигателей с наддувом оставляют практически такой же, как и в двигателях без наддува. При возникновении значительной тепловой нагрузки на поршни проблема решается, например, путем опрыскивания днища поршней моторным маслом через специальные форсунки со стороны картера. Степень сжатия бензиновых двигателей без наддува при используемом в центральной Европе топливе составляет от 7 до 11. Для нижней границы этого диапазона применяется бензин А-76, тогда как для верхней требуется бензин Super с октановым числом, определенным по исследовательскому методу, не менее 98 единиц (соответствует АИ-98).

В бензиновых двигателях за счет настройки систем впуска и выпуска даже при отсутствии наддува давление конца сжатия в цилиндре может превышать давление, обеспечиваемое только за счет геометрической степени сжатия. А в случае применения наддува уровень давления, при котором осуществляется рабочий цикл, становится выше, поэтому, если не принять специальных мер, легко может быть достигнута и даже превышена граница детонации.

Между геометрической и эффективной степенью сжатия, действительно имеющейся в двигателе, часто возникает значительная разница. Определить значение эффективной степени сжатия приближенно можно по формуле ее = е (р

/ро)

, где k – показатель адиабаты (численное значение равно 1,41). Формула дает удовлетворительные результаты при допущении, что температура в конце процесса сжатия у двигателя с наддувом и без наддува одинаковая. Очевидно, что для обеспечения бездетонационного сгорания при увеличении наддува геометрическую степень сжатия необходимо уменьшать. Например, если двигатель без наддува имеет степень сжатия 10, то в случае наддува его при давлении р

= 1,3 бар следует геометрическую степень сжатия уменьшить до 8,3, а в случае наддува при давлении р

= 1,8 бар – до относительно низкого значения 6,6.

Важным фактором, позволяющим повысить степень сжатия без риска возникновения детонационного сгорания, является охлаждение наддувочного воздуха. Например, если двигатель с наддувом и без холодильника наддувочного воздуха уже при степени сжатия 8 работает близко к границе детонации, то при оснащении его эффективным холодильником степень сжатия удается повысить до 9.

В своем пособии В. Н. Степанов выделяет два вида тюнинга двигателя посредством наддува. Первый, сравнительно простой вид, заключается в увеличении мощности имеющегося двигателя с наддувом. Второй, более сложный вид, состоит в наддуве двигателя, проектировавшегося первоначально для работы без наддува.

В первом случае можно повысить мощность относительно просто за счет увеличения давления наддува. Используемые для этого приемы будут рассмотрены ниже. Определяющим критерием здесь является прирост мощности двигателя примерно на 10 % при увеличении наддува на 0,1 бар. Но подходить к этому следует, конечно, достаточно осторожно. Без проведения дополнительных мероприятий нельзя рекомендовать повышение давления наддува двигателя более чем на 0,1 бар. Это связано с возможностью возникновения детонации и перегрузок деталей кривошипно-шатунного механизма. Однако давление наддува можно увеличить, например, и на 0,2 бар, если дополнительно установить холодильник наддувочного воздуха или заменить уже имеющийся холодильник на холодильник большего размера, соответственно увеличив его пропускную способность. При форсировании двигателя за счет наддува возрастают тепловая нагрузка на детали цилиндро-поршневой группы и механическая нагрузка на трансмиссию. Поэтому, если не предпринять меры по более эффективному охлаждению наддувочного воздуха и усилению трансмиссии, то даже достаточно мощные двигатели можно форсировать лишь незначительно. Не рекомендуется эксплуатировать такие двигатели длительное время с полной нагрузкой.

Второй вид тюнинга, то есть последующее оснащение наддувом безнаддувного двигателя, предъявляет значительные требования к специальным знаниям, а также техническим решениям, которые практически может реализовать занимающаяся тюнингом фирма. Трудность заключается не только в том, что не всегда просто выбрать и настроить турбокомпрессор. Помимо этого необходимо конструировать некоторые детали заново или же изменить их конструкцию. И чем больше должна быть мощность двигателя, тем выше, в принципе, затраты на проведение работ. В непосредственном окружении двигателя подвергаются изменениям или заново проектируются и изготавливаются следующие узлы и системы: передача силового потока от двигателя к трансмиссии (сцепление); система выпуска отработавших газов; впускной тракт системы питания, включая приготовление горючей смеси; системы охлаждения и смазки; система зажигания, включая свечи зажигания.

При наддуве двигателя, который первоначально не предназначался для наддува, часто необходимо уменьшить его геометрическую степень сжатия е. Уменьшение возможно за счет применения поршней с уменьшенной высотой от оси поршневого пальца до днища, за счет более толстой уплотнительной прокладки головки цилиндров, а также за счет увеличения объема камеры сгорания непосредственно в самой головке цилиндров. Прочие мероприятия (например, охлаждение днища поршня путем опрыскивания его маслом из специальной форсунки со стороны картера или усиление поршневых пальцев из-за возрастающих затрат на реконструкцию) проводятся очень редко. Часто, чтобы затраты на тюнинг двигателя не превысили определенного значения, отказываются даже от уменьшения степени сжатия. В этом случае для бензиновых двигателей необходимо угол опережения зажигания и давление наддува согласовать с высокой степенью сжатия. При значительном повышении мощности двигателя за счет наддува могут потребоваться значительные изменения ходовой части, тормозной системы и трансмиссии (передаточных отношений коробки передач и главной передачи).

Ориентировочно за верхнюю границу абсолютного давления наддува в зависимости от назначения двигателя можно принять следующие значения:

• серийные автомобили для обычных дорог – р

= 1,41,8 бар;

• автомобили спортивные и для ралли – р

= 1,8–2,5 бар;

• автомобили Формулы-1 и для установления рекордов – р

= 2,8–3,4 бар.

В серийных автомобилях имеет место тенденция к установке двигателей с высокой степенью сжатия и невысоким давлением турбонаддува, тогда как в гоночных автомобилях за счет различных дополнительных мероприятий (например, впрыскивания воды) стремятся к все более высоким давлениям наддува.

В современном автомобилестроении наддув двигателей выполняется различными способами, для реализации которых применяют основанные на разных принципах действия нагнетатели и турбокомпрессоры. Исторически сложилось так, что термин «нагнетатель» применяется, в основном, к устройствам сжатия воздуха, имеющим механический привод от коленчатого вала двигателя. Наддув двигателя с помощью нагнетателей, имеющих механический привод от коленчатого вала, известен с 30-х годов XX в. В настоящее время наиболее известны конструкции механических нагнетателей Roots, Sprintex (со спиральными лопастями), Zoller, Wankel. Справедливости ради следует сказать, что нагнетатели фирмы Wankel и Zoller (шиберные или пластинчатые) так и не вышли из стадии опытной разработки.

Более сложным технологически в изготовлении является нагнетатель серии G, получивший свое название из-за формы спиралей, напоминающей эту букву. Идея такого нагнетателя была известна еще в начале XX века, но впервые была реализована фирмой Volkswagen в 1985 г. Нагнетателем G40 фирма VW оснащала двигатели автомобилей Polo вплоть до 1994 г. При рабочем объеме двигателя 1,3 л применение наддува позволило получить мощность 83,2 кВт (113 л. с.). С 1988 г. фирма комплектовала некоторые двигатели автомобилей Corrado и Passat нагнетателем повышенной производительности G60, в результате чего при рабочем объеме двигателя 1,8 л он развивал мощность 117,8 кВт (160 л. с.).

Цифра в маркировке нагнетателей серии G означает ширину их спиралей. При частоте вращения ротора 10200 1/мин нагнетатель серии G способен создать избыточное давление до 0,72 бар. При параметрах нагнетателя, обеспечивающих наибольшее значение максимального крутящего момента, заслонка перепускного трубопровода во время работы бензинового двигателя на номинальной мощности должна приоткрываться, чтобы избежать переобеднения смеси.

Общий существенный недостаток, присущий всем нагнетателям с механическим приводом от KB, по мнению В. Н. Степанова, – это необходимость затрат на их привод части мощности, развиваемой двигателем. По этой причине при одинаковом давлении наддува двигатель с нагнетателем несколько проигрывает в экономичности двигателю с турбокомпрессором. Главные преимущества нагнетателей с механическим приводом от KB заключаются в том, что при воздействии на педаль акселератора их производительность практически мгновенно изменяется. Это позволяет обеспечивать быструю ответную реакцию двигателя на изменение нагрузки и его высокую приемистость. Кроме того, двигатель с таким нагнетателем характеризуется более крутой кривой зависимости мощности от частоты вращения KB и отличается достаточно большим крутящим моментом при пониженной частоте вращения.

Именно благодаря названным преимуществам эти нагнетатели достаточно широко применяются при тюнинге двигателей автомобилей, к динамическим качествам которых предъявляются повышенные требования. Последнее наглядно продемонстрировано на международной автомобильной выставке во Франкфурте в сентябре 1999 г., где представили свою продукцию три десятка европейских тюнинговых фирм. Так, фирма Lorinser показала автомобили Mercedes с V-образными 8-цилиндровыми бензиновыми двигателями, оборудованными системой впрыскивания с измерителем массового расхода воздуха и нагнетателем с механическим приводом. Благодаря наддуву мощность базового двигателя Е430 была увеличена на 24 % и составила 255,4 кВт (347 л. с.). Максимальный крутящий момент возрос на 27,5 % и достиг значения 510 Нм. Форсирование аналогичным способом базового двигателя Е 50 AMG позволило увеличить мощность и максимальный крутящий момент примерно на 17 %, в результате чего эти показатели достигли значений соответственно 305,4 кВт (415 л. с.) и 620 Нм.

В нагнетателях, названных выше, сжатие воздуха и вытеснение его во впускной коллектор двигателя происходит благодаря уменьшению объема полости, заключенной между рабочими элементами нагнетателя. То есть имеет место механическое сжатие свежего заряда. В волновом нагнетателе Comprex фирмы Asea-Brown-Boweri объем аксиально расположенных полостей в роторе не изменяется. По конструкции ротор, имеющий механический привод от KB, напоминает барабан револьвера. При вращении ротора торец полости с заполнившим ее свежим воздухом подходит к отверстию, через которое в эту полость начинают поступать отработавшие газы. В результате взаимодействия горячих ОГ с холодным воздухом образуется волна давления. Фронт этой волны сжимает воздух, и при подходе торца полости к отверстию впускного коллектора происходит вытеснение воздуха в коллектор.

Так как ротор продолжает вращаться, то торец полости ротора уходит от отверстия впускного коллектора, и ОГ не успевают проникнуть туда вслед за сжатым воздухом. Выпуск ОГ происходит уже в отверстие выпускного трубопровода, после чего в полости ротора создается разрежение, способствующее наполнению полости свежим воздухом при перемещении торца ротора к отверстию впускного трубопровода. Далее этот процесс при вращении ротора повторяется в каждой его полости.

Волновой нагнетатель уже достаточно хорошо себя зарекомендовал и успешно применяется некоторыми автомобильными фирмами. В частности, японская фирма Mazda использует его на одном из своих серийных двигателей.