Методы форсирования двигателей.

Когда имеется в виду мощность двигателя, необходимо не забывать о том, что эта величина является расчетной. Реальная величина механической энергии, выдаваемой двигателем внутреннего сгорания, измеряется в крутящем моменте при определенных оборотах. Произведение крутящего момента и оборотов, при которых он измерен, и называют мощностью.

Не будем вдаваться глубоко в теорию. Рассмотрим практические методы повышения мощности двигателя:

1. Увеличение рабочего объема двигателя.
2. Увеличение степени сжатия.
3. Уменьшение механических потерь.
4. Оптимизация процессов горения смеси.
5. Увеличение наполнения цилиндров.

Рассмотрим каждый из перечисленных методов по отдельности.

• Увеличение рабочего объема двигателя.

Увеличить рабочий объем двигателя можно: заменив колен.вал на другой с большим ходом, увеличив диаметр цилиндра или то и другое одновременно. Не надо забывать, что при изменении объема двигателя, необходимо увеличить объем камеры сгорания — для компенсации увеличения объема цилиндра.

Для ВАЗовских двигателей, используемых на заднеприводных автомобилях существуют колен.валы с ходом 66, 80, 84, 86, 88 мм.
Для ВАЗовских двигателей, используемых на переднеприводных автомобилях существуют колен.валы с ходом 60.6, 71, 74.8, 75.6, 78, 80, 84 мм.
При установке колен.вала с большим ходом необходимо доработать (либо заменить) шатуны или поршни.

К расточке цилиндров блока на значительную величину ( 2мм.) нужно подходить осторожно. Например, при расточке серийного блока ВАЗ 21083 с 82мм. до 84 мм. у двигателя наблюдается повышенный расход масла. Это происходит за счет потери жесткости блока. В этом случае лучше использовать специальную толстостенную отливку блока. Такие блоки ВАЗ выпускает мелкими сериями.

Увеличение объема двигателя приводит к увеличению максимального крутящего момента, но при этом происходит снижение оборотов максимальной мощности. Это происходит из-за уменьшения механического КПД. Если повышение объема происходит за счет увеличения диаметра цилиндров, то возрастает площадь контакта между стенками цилиндра и поршнем с поршневыми кольцами. Как следствие повышается трение. Если повышение объема происходит за счет увеличения хода колен.вала, то возрастает средняя скорость поршня, что приводит к тем же результатам.
В любом случае повышение объема приводит к падению общего КПД двигателя.

• Увеличение степени сжатия.

Термический КПД

Увеличение степени сжатия (степени расширения) является эффективным способом повышения КПД двигателя.

Геометрический объем камеры сгорания складывается из:

— объемы камеры сгорания в головке
— объемы в прокладке
— объемы созданный не доходом поршня до плоскости разьема (если есть)
— объем выборки в поршне

При работе двигателя, особенно на высоких оборотах, геометрический объем камеры сгорания уменьшается. Это происходит из-за: выбирания зазоров, термического расширения поршня, динамического удлинения шатуна. Так, на гоночном безпрокладочном моторе при сборке поршень не доходил до плоскости головки 0.85мм. После эксплуатации двигателя на 9000 об.мин на поршне и плоскости головки присутствовали явные следы контакта.

Степень сжатия зависит от фаз газораспределения (запаздывания закрытия впускного клапана) и угла открытия дроссельной заслонки. Так, на серийных двигателях угол зажигания при частичных нагрузках превышает 40 градусов. Это возможно благодаря низкому наполнению цилиндров и как следствию понижению степени сжатия. Чем выше наполнение, тем выше степень сжатия. Существует понятие — динамическая степень сжатия. У большинства двигателей, дорожных и гоночных, динамическая степень сжатия находится в диапазоне от 7 до 10 и зависит от октанового числа используемого бензина. Очень высокая геометрическая степень сжатия спортивных двигателей в первую очередь объясняется применением распред. валов с широкими фазами. Установка на двигатель модифицированного распред. вала с широкими фазами позволяет несколько увеличить геометрическую степень сжатия. Повышение степени сжатия с переходом на бензин с более высоким октановым числом приводит к увеличению мощности во всем диапазоне оборотов.

• Уменьшение механических потерь.

Механические потери двигателя складываются из:

— Потери на трение.
— Насосные потери.
— Потери на привод вспомогательного оборудования.

Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре. Потери зависят от площади трущихся деталей, жесткости и количества поршневых колец, толщины масляной пленки и средней скорости поршня.

При превышении средней скорости поршня выше 20 м./сек. резко возрастают потери на трение и нагрузки на детали КШМ. Поэтому на высокофорсированных двигателях для увеличения механического КПД необходимо уменьшать ход поршня.

Для уменьшения потерь на трение в паре поршень — цилиндр, необходимо использовать сборные маслосъемные кольца, также целесообразно несколько увеличить зазор между поршнем и цилиндром. Облегчение шатуна, особенно верхней головки, уменьшает боковое давление на поршень, с этой же целью нужно использовать по возможности более длинный шатун, что благоприятно скажется на уменьшении потерь на трение. Теоретически необходимо подогнать по весу и отбалансировать все детали КШМ.

Нами был произведен эксперимент. Был испытан на стенде серийный двигатель ВАЗ 21083. После чего его разобрали, все детали КШМ тщательно подогнали по весу. Отбалансировали колен. вал и шатуны (шатуны балансируются на специальном приспособлении, позволяющем развесить шатуны так, чтобы центр масс у всех находился в одной точке). После повторных испытаний на стенде мы не заметили прибавки мощности. Можно себя успокаивать тем, что хуже не будет.
Для уменьшения потерь на трение в наши гоночные моторы мы устанавливаем новые поршни со значительно уменьшенной площадью юбки, одним компрессионным кольцом, высотой 1.2мм. и сборным маслосъемным кольцом высотой 2мм. Также используем специально изготовленные шатуны Н-образного сечения, которые длинней серийного 2108 на 12 мм. и намного жестче и легче.

Для уменьшения трения в шейках колен.вала, необходимо хонингованием увеличить на 0.02мм.(от номинального вазовского размера) внутренний диаметр нижней головки шатуна и постелей колен.вала. Падение давления масла при этом не происходит. Также необходимо проконтролировать легкость вращения распред.вала.
При наполнение цилиндров воздухом возникает перепад давлений между цилиндрами двигателя и атмосферой. Двигатель в этой части цикла работает как насос и на его привод расходуется часть мощности. Чем меньше аэродинамическое сопротивление впускной системы, тем меньше потери энергии. Следовательно уменьшение сопротивления в головке приводит не только к увеличению наполнения, но и к уменьшению насосных потерь. Таким же образом благотворно сказывается установка распред.валов с более широкими фазами.
Уровень масла в поддоне серийного двигателе находится в непосредственной близости от вращающегося колен.вала. При боковых и линейных ускорениях автомобиля масло попадает на противовесы и шейки колен.вала и тормозит его вращение. Применение системы "сухой картер", когда масло откачивается из поддона в отдельную емкость, позволяет увеличить мощность двигателя, особенно при высоких оборотах.
Часть энергии двигателя используется на привод вспомогательного оборудования, такого как: привод механизма ГРМ, водяной насос, генератор и т.д. Для форсированных двигателей, используемых на высоких оборотах, целесообразно увеличить передаточное отношение привода водяного насоса и генератора. При установке кондиционера и гидроусилителя руля эффективная мощность двигателя снижается.

• Оптимизация процессов горения смеси.

Характеристики ДВС в конечном счете зависят от процессов происходящих в камере сгорания, где происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Перемешивание свежего заряда с остаточными газами, воспламенение смеси, протекание горения и потери теплоты зависят от конструкции камеры сгорания.

Конструкция камеры сгорания должна обеспечить перемешивание свежего заряда — для улучшения процессов сгорания, быть компактной — для уменьшения тепловых потерь и уменьшения вероятности возникновения детонации. Чем больше площадь поверхности камеры сгорания, тем больше тепла отводиться наружу и теряется, следовательно уменьшаться мощность. Чем на большее расстояние перемещается фронт пламени, тем больше вероятностью возникновения детонации потому, что увеличивается время контакта еще не воспламенившейся смеси с горящим зарядом.
Большая часть объема в камере сгорания должна быть сконцентрирована около свечи. Во время движения поршня к ВМТ смесь выдавливается из зазора между головкой поршня и плоскостью головки в сторону свечи зажигания, при этом происходит интенсивное движение (турбулизация) заряда, что способствует лучшему сгоранию. Чем меньше зазор, тем меньше вероятность возникновения детонации, так как уменьшается общее количество смеси отдаленной от свечи зажигания. Правда при этом работа двигателя становится жестче, из-за более высокой скорости нарастания давления.

Не следует распиливать камеру сгорания со стороны свечи до размеров цилиндра, хотя при этом и происходит большая концентрация смеси в оптимальной зоне. Необходимо создать небольшую зону противодавления, препятствующую забрызгиванию свечи зажигания.

Полирование поверхности камеры сгорания и днища поршня, способствует некоторому уменьшению тепловых потерь (повышению относительного КПД), хотя в процессе длительной работы двигателя они покрываются нагаром.