Глубокий тюнинг моторов

Porsche,Bmw,Mercedes,

Bentley,Ferrari,Lamboridghini.

ЭТАПЫ ТЮНИНГА ДВИГАТЕЛЕЙ.

ЭТАП - 3

Следующий этап тюнинга, о котором пойдёт речь, может производиться только в профессиональной мастерской, так как проводимые далее работы требуют богатых практических и теоретических знаний. Если, не брать механизм газораспределения то следующие два этапа наиболее ярко себя проявляют в отношении мощности и крутящего момента.

1. Установка систем принудительного наддува (приводной компрессор или газовые турбины).

2.       Увеличение рабочего объёма.

1.Установка систем принудительного наддува (приводной компрессор или газовые турбины).
Смысл наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) - улучшить наполнение цилиндров двигателя топливовоздушной смесью для повышения среднего эффективного давления цикла и, как следствие, мощности двигателя путем принудительного увеличения заряда воздуха, поступающего в цилиндры.

Существует лишь один вид "атмосферного" наддува" - так называемый резонансный наддув, при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах, и технически реализуемый с помощью воздушных коллекторов переменной длины и тщательной настройкой фаз газораспределения двигателя. Все остальные виды наддува связаны с увеличением давления поступающего в цилиндры воздуха выше атмосферного, используя для этого различные механические, электромеханические и газодинамические способы. При турбо-наддуве в качестве привода используется отработавший газ, который в обычном случае просто выбрасывается в атмосферу, без утилизации его энергии в полезную работу.

При работе двигателя с турбо-наддувом выхлопные газы подаются в турбину, где отдают часть своей энергии, раскручивая ротор турбокомпрессора, и затем поступают через приемную трубу в глушитель. На одном валу с лопаточным колесом турбины находится колесо компрессора, который засасывает воздух из воздушного фильтра, повышает его давление на 30-80% (в зависимости от степени наддува) и подает в двигатель. В один и тот же литраж (объем) двигателя поступает большее по весу количество рабочей смеси и, следовательно, обеспечивается достижение на 20-50% большей мощности, а за счет использования энергии выхлопных газов повышается КПД двигателя. Турбо-наддув бензиновых двигателей приобретает в настоящее время все более широкое распространение, несмотря на некоторые возникающие при этом проблемы. Первая - это детонация, появляющаяся вследствие повышенного давления конца такта сжатия и накладывающая ограничения по максимальной величине степени сжатия в моторах, и повышенные требования к качеству бензина, а именно к октановому числу.

Во-вторых, предельно высокая максимальная температура рабочего цикла бензинового двигателя с турбо-наддувом требует повышенного внимания к выбору материалов выпускной системы и лопаток турбины, конструкции корпусных деталей турбокомпрессора (ТКР), необходимости дополнительного охлаждения подшипникового узла ТКР, а также к эксплуатационным качествам моторного масла.

каналов, применение фильтров нулевого сопротивления, применение прямоточной системы выхлопа, изменение параметров программного обеспечения (чип-тюнинг), расточка цилиндров или переходе с бензина на "нитру" (закись азота).

Перечисленные решения позволяют увеличить мощность, но не существенно, разве что это не касается "нитроса". Кардинальное решение одно - увеличение подачи топливовоздушной смеси. Чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем выше мощность мотора. Но бензин не горит "просто так", для этого нужен воздух (кислород) - во вполне определенных количествах. Чтобы увеличить подачу топлива, вначале придется соответствующим образом увеличить подачу воздуха. Сам мотор с этой задачей не справится - его возможности по всасыванию воздуха ограничены (даже при применении фильтров с нулевым сопротивлением). Поэтому и появились те самые "турбо", "компрессоры" и "нагнетатели". Они разные, и дают разные результаты.

Для начала немного теории:
Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания, мотор в это время работает как насос к тому же весьма неэффективный на пути воздуха, (горючей смеси) находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах - еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном - тогда горючей смеси (для дизелей - воздуха) в цилиндре "поместится" больше. Энергия сгорания заряда с большим количеством топлива, само собой, станет выше вырастет и общая мощность двигателя. Для этих целей было придумано довольно много решений, но распространение получили не многие.

1. Роторный нагнетатель Roots.
Создан Фрэнсисом Рутсом еще в 1860 году. Первоначально использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Суть конструкции: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые "шестерни", помещенные в общий кожух (напоминает современный маслонасос). Объемы воздуха в пространстве между зубьями шестерен и внутренней стенкой корпуса благополучно доставляются от впускного коллектора до выпускного. В 1949 году другой американский изобретатель - Итон - усовершенствовал конструкцию: прямозубые "шестерни" превратились в косозубые роторы, и воздух теперь перемещался не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился - воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название - объемный нагнетатель, а не компрессор.

2. Спиральный компрессор Lysholm.
Автор идеи - немецкий инженер Кригар, время рождения - конец позапрошлого века, первоначальное назначение - промышленное, сейчас известен под именем Lysholm благодаря работам шведского инженера Альфа Лизхолма, который в конце 30-х годов прошлого века приспособил конструкцию для автомобильного применения. Внешне - если не снимать кожух - очень похож на нагнетатель Roots. Отличия внутри. Вроде бы те же два ротора, вращающиеся навстречу друг другу перекачивают объемы воздуха вдоль осей, но сильно лихо закручены. Сечения роторов намного сложнее, они разные. Самое главное: шаг закрутки роторов меняется по длине, и при перемещении вдоль осей объем перекачиваемого воздуха в каждой ячейке уменьшается - воздух сжимается. Поэтому Lysholm - не просто нагнетатель, а чистой воды компрессор.

3. Центробежный компрессор
(устоявшегося "фирменного" названия не имеет). В корпусе-улитке вращается крыльчатка сложной формы. Воздух засасывается по центру и отбрасывается по периферии, при этом благодаря действию центробежных силпроисходит его сжатие. По этому это не просто нагнетатель, а тоже компрессор.

  4. Турбокомпрессор, он же турбонагнетатель.
По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо", пусть даже и "би...", и "твин...". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов. Для данной конструкции присуща замедленная реакция на быстрый "подхват".

Как следует из определения, механический нагнетатель/компрессор - роторный, спиральный или центробежный - имеет механический привод, который осуществляется ремнем от коленвала двигателя (иногда через промежуточные шкивы). Здесь главное в том, что обороты нагнетателя/компрессора жестко связаны с оборотами коленвала.

Нагнетатель Roots и компрессор Lysholm
Нагнетатель Roots, и компрессор Lysholm имеют линейные характеристики, обороты компрессора увеличиваются синхронно с оборотами коленчатого вала, пропорционально растет подача воздуха, и кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя свою форму, равномерно перемещается вверх. У центробежного и турбокомпрессоров характеристики нелинейные - их производительность увеличивается с ростом числа оборотов. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики (кривые мощности и крутящего момента) двигателя.

Оба типа компрессоров весьма эффективны с самых низких оборотов, но Lysholm обеспечивает более плоскую характеристику на высших оборотах, у Roots ее спад начинается несколько раньше. К преимуществам Lysholm можно отнести и более высокий КПД, и лучшее соотношение габариты/масса, к тому же он меньше нагревается при работе. Рабочая частота вращения обычно 12-14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./Мин. (Стоит заметить, что компания Mercedes-Benz одна из первых начала использовать компрессора в своих автомобилях, при чем предпочтение они отдали именно роторным конструкциям.)

Механический центробежный компрессор
Механический центробежный компрессор конструктивно наиболее прост и компактен, из-за чего весьма популярен - у американских "самодельщиков". Правда, тут требуется промежуточное механическое устройство для повышения числа оборотов ротора (обычный диапазон - до 100.000 об./Мин.). Производительность нелинейная - чем выше частота вращения, тем больше воздуха подается за каждый оборот. На низах эффективность практически нулевая, поэтому увеличения тяги здесь ожидать не приходится. Где-нибудь повыше можно получить заметный подъем кривой крутящего момента, но лишь в довольно узком диапазоне оборотов. Следовательно, понадобится коробка со сближенным рядом и постоянная активно-утомительная работа ее рычагом...

Турбокомпрессор/турбо нагнетатель.
Турбокомпрессор, по большому счету - тот же центробежный компрессор, но с принципиально иным приводом. Частота вращения может превышать 200.000 об./Мин. Явное достоинство: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Минус - инерционность: "вдавил" резко газ и жди, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя – и, наконец, "пойдет" воздух. Но с этим явлением, именуемым "турбо-яма" (по-английски "turbolag", что правильнее было бы перевести как "турбо-задержка" или "турбо пауза"), научились бороться...

Поэтому, кроме собственно агрегата наддува, под капотом "поселились" два перепускных клапана: один - для отработавших газов, а другой - чтобы перепускать излишний воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа снижается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды - время закрытия клапана.

В последнее время стали применять такой способ регулирования подачи воздуха, как изменяемый угол наклона лопаток компрессора. Идея эта давняя, а вот воплотить ее долго не могли. Еще одна проблема использования турбин - это их небольшой срок жизни, хотя в последнее время удалось значительно увеличить это время. Как уже упоминалось, частота вращения ротора турбины должна быть очень велика. До 150-200 тысяч об/мин. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала именно долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли только недавно, когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Сперва это сделали японские фирмы, а затем и шведский СКФ - и машины с такими подшипниками появились на дорогах. Однако достойно удивления не применение керамики - подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! На очереди - металлокерамический ротор турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции.

По своему влиянию на характеристику крутящего момента двигателя турбокомпрессор вроде бы схож с механическим центробежным. Но "опосредствованная" система привода позволяет подстраивать характеристики турбокомпрессора в более широком диапазоне, выравнивая изначальные дефекты кривой крутящего момента мотора. Что касается "би турбо" и "твин турбо" вместо одной турбокомпрессорной установки используются две - параллельно (бывает и последовательно, но реже). Каждый ротор поменьше, полегче, менее инерционен, более отзывчив. И управлять диапазонами их работы при последовательном наддуве можно по-разному, добиваясь нужной итоговой характеристики.

Дело в том, что ротор турбокомпрессора нельзя сделать большим! И все потому, что чем больше диаметр турбины, тем выше ее момент инерции. Стало быть, даже если водитель при разгоне по резче нажмет на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: придется подождать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Итак, турбину следует сделать как можно меньше по диаметру. Но поступление воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: Остается увеличивать обороты, хотя и тут есть ограничение, на этот раз со стороны допустимых нагрузок на материалы. Вот и используют несколько турбин с меньшим диаметром в параллельной схеме.

Система Интеркуллер.

Вы, скорее всего, встречали на машинах надпись "интеркулер" на борту. Сжимаемый компрессором воздух неизбежно нагревается. При этом уменьшается его плотность и содержание в нем кислорода, ради которого, собственно, все и затевалось. Посему перед подачей в двигатель сжатый воздух стоит охладить - в дополнительном радиаторе, который и именуется интеркуллером. Помимо повышения плотности заряда, чем ниже температура поступаемого воздуха, тем ниже склонность к детонации т.к. при принудительном наддуве резко повышается давление, а конце такта сжатия.

2.Увеличение рабочего объёма.

Суть увеличения рабочего объёма двигателя это желание сжечь большее количество топливной смеси. При сжигании большего количества смеси в цилиндре развивается большее давление, которое воздействует на поршень, толкая его в низ, с помощью кривошипно-шатунного механизма мы преобразовываем тепловую энергию в механическую. По теории увеличение объёма в два раза влечёт за собой увеличение мощности в два раза, но на практике так не получается так как существуют различные потери это впускной тракт, выпускной тракт, размеры впускного и выпускного канала, размеры клапанов. Увеличение рабочего объёма производится двумя способами:

1.       Увеличение диаметра цилиндра.

2.       Увеличение хода поршня за счёт большего плеча коленвала.

1.Увеличение диаметра цилиндра. Достигается путём расточки цилиндра на специальном расточном станке, Легче всего это сделать на чугунном блоке, так как после этой процедуры следует финишная обработка “ХОНИНГОВКА”. После этой процедуры на цилиндре появляется рисунок с микрорельефом, который предназначен для удержания масла на стенке цилиндра для обеспечения смазки в паре поршень-цилиндр. Что касается современных моторов, у которых блок цилиндров выполнен из алюминиевого сплава есть ряд проблем. Это связано с алюминиевым цилиндром, так как он имеет различные виды покрытия в зависимости от фирмы производителя. Мерседес применяет ЛАВИСИЛ и АВИСИЛ, BMW ЛАВИСИЛ и НИКАСИЛЬ, Porsche НИКАСИЛЬ. Алюминиевому цилиндру необходимы эти виды покрытия, потому что в чистом виде алюминий, не работает как пара трения в виду плохих фрикционных свойств. Поэтому при расточке таких цилиндров, если позволяет толщина стенки, применяют гильзовку чугунным материалом либо специальными алюминиевыми гильзами иностранного производства. Часто расточка такого блока в силу обстоятельств производится в связи с ремонтом, т.е. повреждением и в редких случаях в связи с увеличением объёма.

Что интересно с математической точки зрения увеличение диаметра цилиндра влечёт за собой большее увеличение объёма мотора, чем увеличение хода коленвала.

Данные мотора Мерседес W124 5.0л.V8
Диаметр цилиндра 96,5мм, ход коленвала 85мм, объём цилиндра =621,75куб\см

Вариант 1
Диаметр цилиндра 98,5мм, ход коленвала 85мм, объём цилиндра = 647,79куб\см.

Вариант 2
Диаметр цилиндра 96,5мм, ход коленвала 87мм, объём цилиндра = 636,38куб\см.

В данных вариантах мы сначала прибавили 2мм к диаметру цилиндра при стандартном ходе колена, далее цилиндр взяли стандартный, а ход колена увеличили на те же 2мм, и увидели математическое преимущество увеличения диаметра цилиндра. Преимущество увеличения диаметра цилиндра это увеличение площади самого поршня. В цилиндре мотора средней форсировки при сгорании смеси развивается примерно 50кг на квадратный сантиметр, теперь представьте, что вы увеличили площадь поршня на 2 квадратных сантиметра, получается вы увеличили давление на поршень На целых 50кг на сантиметр квадратный, далее считайте и делайте выводы.

2.Увеличение хода поршня за счёт большего плеча коленвала.

Напрямую ведёт к увеличению объёма, как и увеличения диаметра цилиндра. При увеличенном колене есть не мало технических проблем с которыми приходится сталкиваться.

1.       При увеличенном колене в зависимости от геометрических размеров блока цилиндров большая вероятность что поршень упрётся в головку, встаёт технический вопрос в изменении размеров как поршневой группы так и размеров шатунов.

2.       Это вероятность того что шатун на шатунной шейки увеличенного кривошипа может цеплять за стенки картера блока цилиндров, выхода здесь два. Это при возможности сделать как можно компактнее шатун, второе это шарошить стенки блока цилиндров при технической возможности.

Необходимо отметить что как при расточке цилиндров так и при увеличенном колене, изменяется масса поршневой группы и кривошипношатунного механизма что требует за собой тщательную балансировку коленвала.

                                                                                                                             DMS - TECH