Всего несколько лет назад немногочисленные тюнинговые ателье предлагали весьма ограниченный набор комплектующих и работ по повышению мощности двигателей. Распредвал с шестерёнкой да чип-тюнинг давали не многим более 10-15 л.с. прибавки мощности.
Но мир не стоит на месте – за прошедшие годы сделано многое, и двигатель не исключение. Ныне повышение мощности вдвое от базового, стандартного варианта уже не такая неосуществимая задача. И даже решается она разными способами.
Картина была бы весьма радужной, если бы не одно «но». Практика работы СМЦ, наши беседы с заказчиками показывают, что за красивыми и модными словами «кованые поршни», «настроенный выпуск», «турбина», «буст-контроллер» и многими другими нередко скрывается…пустота. Ладно бы заказчики не понимали смысла и назначения тех или иных деталей и узлов – им простительно. К сожалению, в ряде тюнинговых «контор» сегодня сложилось поверхностное понимание сути форсирования, отношение к тюнингу двигателя как к некоей простейшей процедуре типа установки спойлера – «прикрутил» и «помчался». Только вот беда - «мчатся» такие моторы весьма недолго, и тем меньше, чем больше мощность удалось «прикрутить» и чем хуже понимают процесс форсирования те, кто всё это «прикручивает».
Особенно большой резонанс среди «тюнинговой» общественности вызвал известный фильм «Форсаж». Сделанный, на наш взгляд, с большой претензией на внешние эффекты, «крутость» и «красивость», фильм явно ставит прямую зависимость между количеством прикручиваемых «прибамбасов» (и их ценой) и мощностью мотора. К сожалению красивые картинки в кино весьма далеки от реальной техники, и борьба за мощность намного сложнее, чем покупка «крутых» блестящих деталей со звонкими названными за увесистую пачку «баксов».
Именно это обстоятельство и вынуждает нас высказать своё мнение по основным проблемам моторного тюнинга. Откуда берётся мощность?
В самом деле, этот элементарный вопрос ставит, как правило, в тупик многих «тюнингаторов». Обычно следует перечисление работ и комплектующих, которые установлены. Суть дела, таким образом, пропадает за всей этой чепухой и болтовнёй. Между тем ответ очевиден – мощность двигателя (имеется ввиду её прибавка) берётся из…воздуха. Действительно, чем больше воздуха зайдёт в цилиндры, тем больше получится мощность.. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
Теоретически мощность (в кВт) пропорциональна работе цикла двигателя Le (выражается в килоДжоулях) и количеству циклов в единицу времени n (об/мин) :
Ne=Le n/120.
Работу цикла легко выразить через КПД двигателя ηe и количество поступившего в двигатель топлива Мт(кг):
Le= ηe Hu Mт,
где Hu – теплотворная способность топлива (кДж/кг), показывающая, сколько энергии(в кДж) может выделиться при полном сгорании 1 кг топлива. Для бензина Hu=43960 кДж/кг, а среднее значение КПД для бензиновых двигателей ηе=0,25.
Количество подаваемого в двигатель топлива не может быть любым, а связано с количеством воздуха Мв соотношением
Мт=Мв/λ Lo,
где λ - известный многим, но не всем понятный коэффициент избытка воздуха, показывающий отношение количества поступившего воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания поданного в двигатель топлива. В бензиновых двигателях λ лежит в узких пределах от 0,85-0,9 для режимов максимальной мощности до 1,0-1,1 для экономичных режимов(иначе бензин плохо горит). Регулируется λ в указанном диапазоне топливодозирующей аппаратурой в зависимости от количества поступившего воздуха и режима работы двигателя, определяемого, в основном, положением дроссельной заслонки и оборотами. Коэффициент Lo определяет, сколько же воздуха (в кг) необходимо для полного сгорания 1 кг топлива, и для бензина равен 15(т.е. для этого необходимо 15 кг или 16,5 м3 воздуха при нормальном давлении и температуре).
Подставив последнее выражение в формулу для работы Le, получим
Le= ηe Hu Mв/λ Lo,
а после подстановки в формулу мощности
Ne=Hu ηe Мв n/120 λ Lo.
Произведение Mв n есть не что иное, как расход воздуха Gв (кг/мин), откуда мощность
Ne=Hu ηe Gв/120 λ Lo,
что и требовалось дoказать. Более того, легко заметить, что полученная формула показывает один замечательный момент – воздействовать на мощность в обычном бензиновом двигателе вообще почти нечем, кроме расхода воздуха.
А от чего зависит расход воздуха? Очевидно, от его плотности ρ (кг/м3) и объёма цилиндров Vh
Gв=ηv ρ Vh n,
где n – обороты, а коэффициент ηv – это так называемый коэффициент наполнения, показывающий отношение количества поступившего в цилиндр воздуха Мв к теоретическому его количеству, равному ρo Vh для двигателей без наддува или ρк Vh для двигателей с наддувом (ρк – плотность воздуха во впускном коллекторе, а ρо – в окружающей двигатель среде).
Учитывая, что плотность равна (согласно школьному курсу физики)
ρ=P/RT,
где Р,Т – давление и температура воздуха, R – газовая постоянная(R=287,3Дж/кг К), получим мощность двигателя в окончательном виде
Ne=Hu ηe P Vh ηv n/120Lo R λ T.
Совершенно замечательная формула, как нам кажется. Нам она нравиться. Но если кто-то думает иначе, пусть попробует вывести свою. А пока этого не случилось, мы будем аккуратненько так анализировать нашу.
Тщательнее надо!
Для начала перепишем формулу в несколько ином виде
Ne= Vh ηv n ηe Hu P/120Lo R λ T,
и начнём по порядку.
Объём Vh – его увеличение является традиционным способом повышения мощности. Только, к сожалению, ограничивается толщиной стенок цилиндров при попытке увеличить их диаметр и габаритами блока, в который влезает не каждый коленвал с увеличенным радиусом кривошипа. Дополнительное ограничение – высота поршня: при большом ходе высокий поршень может бобышками «сесть» на противовесы коленвала. Реальное увеличение Vh – около 10%, и лишь для некоторых марок и моделей моторов достигает 20%.
Коэффициент наполнения ηv – весьма, если не наиболее, важный параметр. Увеличение диаметра каналов, совмещение коллекторов, изменение профиля сёдел, клапанов, формы камеры сгорания, установка карбюраторов (в т.ч. сдвоенных) с большими диффузорами и дроссельными заслонками, фильтра НС – всё это снижает сопротивление втеканию воздуха в цилиндры и вызывает повышение ηv. Отдельно стоят настроенные впуск и выпуск – повышение ηv происходит как по причине лучшей очистки цилиндров, так и в результате их дозарядки при возбуждении колебаний в соответствующих системах. Эти процессы сильно зависят от фаз газораспределения, поэтому распределительный вал в деле повышения ηv играет далеко не последовательную роль.
Повышение максимальной частоты вращения n – верный способ, осуществляемый обычным путём расширения фаз газораспределения установкой соответствующих распредвалов. При этом коэффициент наполнения, обычно падающий у стандартных двигателей уже начиная с 4000-4500 об/мин, наоборот, возрастает и позволяет двигателю раскручиваться значительно дальше в область высоких оборотов. Однако при этом может наблюдаться падение КПД ηе, нивелирующие рост n и ηv, поскольку растут механические потери. Чтобы этого не случилось, проводят специальные мероприятия по снижению трения – ставят более жёсткие и лёгкие поршни и шатуны, переходят на 2 поршневых кольца вместо 3-х, препятствуют попаданию масла, сливаемого из ГБЦ, на детали КШМ и т.д. Кроме того, требуются более лёгкие детали ГРМ (толкатели, клапаны), а также жёсткие пружины клапанов.
Повышение теплотворной способности топлива Hu – ещё один способ повышения мощности. Для этого используют специальные присадки в топливо, в т.ч. широко известную закись азота (Nitros). При этом не следует забывать об охлаждении деталей – выделение дополнительной энергии в том же объёме вызывает повышение температуры поршня, выпускных клапанов и стенок камер в ГБЦ. Отметим так же, что при подаче топлива, содержащего кислород (уже упомянутая закись азота, а также спирт), уменьшается коэффициент Lo, стоящий в знаменателе нашей формулы, вызывая дополнительное увеличение мощности.
Повышение давления поступающего воздуха Р – осуществляется при помощи нагнетателя. Находят применения приводные (механические) и турбонагнетатели. Независимо от агрегата повышение давления (сжатие) воздуха вызывает рост его температуры, стоящей в знаменателе формулы и оказывающей на мощность уменьшающее действие. Снизить температуру помогает промежуточный охладитель (интеркулер), применение которого при повышении давления наддува становятся обязательным.
В общем случае при установке наддува возрастает плотность и, соответственно, количество поступающего в двигатель воздуха (расход). Однако степень повышения давления (отношение давление наддува к атмосферному) ограничено детонацией: приходиться снижать степень сжатия тем сильнее, чем больше давление наддува. В среднем при повышении давления наддува до 0,5-0,8ати приходится снижать степень сжатия с 9,5-10,0 до 8,5. Ещё большие изменения требуются в самом двигателе – помимо увеличения объёма камеры сгорания (для снижения степени сжатия) необходимо более толстое днище поршней, их охлаждения, более жаропрочные выпускные клапаны, более эффективная система охлаждения двигателя и т.д. Напротив, пренебрежение этими мероприятиями с целью упрощения и удешевления работ однозначно приводят к быстрому выходу двигателя из строя (поломки и прогары поршней и клапанов, эрозия стенок камер с последующим прогаром прокладки ГБЦ и т.д.).
Необходимо отметить, что в нашей формуле нигде нет в явном виде подачи топлива – только коэффициент λ, учитывающий соотношение топливо/воздух. Именно его и должна «держать» система управления при росте расхода воздуха. И наоборот, если никаких изменений в двигатель не вносится, «играть» коэффициентом λ практически бесполезно – максимальная мощность не увеличиться, разве что в результате исправления каких-либо ошибок производителя. Этот факт иллюстрирует наше убеждение в полной бесполезности чип-тюнинга, как самостоятельного направления, в деле повышения максимальной мощности. Правда, справедливости ради, отметим, что перенастройка управления иногда всё-таки может что-то улучшить. Речь идёт о крутящем моменте двигателя Ме(Нм), связанном с мощностью Ne (в кВт) соотношением
Me=9550 Ne/n.
Если «убить» и переделать заводские настройки в области средних оборотов (там двигатель «в стандарте» обычно зажат по экологии), то динамика разгона автомобиля незначительно улучшится. В этой связи отметим также, что именно крутящий момент является «объективной реальностью», которую ощущает водитель при разгоне автомобиля – почувствовать максимальную мощность можно, лишь выйдя на режим движения на максимальной скорости. Вот почему для многих менее мощный, но моментный «низовой» мотор воспринимается как более мощный по сравнению с высокооборотным, у которого при большей максимальной скорости крутящий момент «на середине» заметно ниже. Этот факт приходится учитывать при постройке тюнингового мотора, характеристики которого должны соответствовать требованиям (в 1-ю очередь, стилю езды) заказчика.
Итак, все основные закономерности форсирования определены. К сожалению, приходится признать, что в некоторых тюнинговых ателье эти закономерности знают лишь на уровне чистого «эмпиризма» - вот это увеличивает мощность на 5 л.с., а вот то на 10.
Опыт, без сомнения, дело хорошее, но он, как известно, «сын ошибок трудных». Мы же посоветуем «тщательнее» изучать теорию, дабы этих ошибок было поменьше.
Теперь, зная основные положения теории, посмотрим, как она реализуется на практике.
«В огороде бузина…»
Именно так можно охарактеризовать то, что происходит на практике. Что совершенно естественно – мода на тюнинг привлекла в этот бизнес большое количество людей, имеющих смутное представление о двигателе и его процессах, но вполне готовых сорвать «лёгкие» деньги на повышенном спросе, особенно, подогретом кинематографом.
Анализируя состояние рынка моторно-тюнинговых услуг, мы смогли выделить несколько основных направлений, каждое из которых развивают конкретные «конторы».
«Традиционалисты» - условное название (это и последующие придуманы нами) тех, кто строит моторы, совершенствуя их рабочие процессы. В этом направлении работает довольно много бывших спортсменов и спортивных механиков, прошедших большую школу подготовки спортивных моторов. Что вполне закономерно, поскольку хорошо «заряженный» тюнинговый мотор мало чем отличается от гоночного – раллийного или кольцевого.
Суть этого подхода очевидна – тщательная доводка деталей и узлов двигателя с целью получения максимальной мощности. Пределы форсирования таким способом весьма высоки – некоторые эксклюзивные нетурбированные варианты тюнинговых моторов имеют удельную мощность до 110-115 л.с./л, что и роднит их с гоночной техникой. Характерно, что некачественно выполненный данным способом тюнинг наименее опасен, т.к. в 1-ю очередь вызывает недостаток мощности и снижение ресурса. К недостаткам обычно относят его относительную дороговизну и сложность.
«Турбинисты» - появились относительно недавно, но уже добились заметных успехов. Суть этого направления сводится к установке на обычный двигатель наддува – турбокомпрессора (часто) или приводного нагнетателя(пока сравнительно реже). Степень форсирования двигателя ограничивается прочностью его основных деталей, но при грамотном подходе может легко превысить достижения «традиционалистов». К сожалению, именно среди некоторых «турбинистов» получил распространение упрощённый (или «бюджетный», т.е. дешёвый) подход, когда турбокомпрессор устанавливается без внесения изменений в конструкцию самого двигателя (в частности, без замены поршневой группы). Обычно такие моторы не ходят, т.к. поршни быстро разрушаются от детонации, а выпускные клапаны прогорают от позднего зажигания. Напротив, грамотная установка наддува сопровождается серьёзными изменениями в конструкции двигателя, и сделать хорошую работу намного дешевле, чем у «традиционалистов», «турбинистам» не удаётся.
Исходя из этих соображений, выскажем мнение, что установка наддува имеет смысл только при форсировании свыше 90-100 л.с./л., иначе традиционный подход может оказаться дешевле.
«Азотники» - это направление приобрело особую популярность вскоре после выхода фильма «Форсаж», хотя данный способ применялся в авиации ещё во времена 2-й Мировой войны (а может, и ещё раньше). Здесь, по нашей оценке, наблюдается наименьшее понимание процессов двигателя (прямо в соответствии с фильмом), а «бюджетное» «прикручивание нитроса» способно за несколько секунд нанести двигателю непоправимый, а иногда и необратимый, вред. Грамотная же установка связана с усилением и дополнительным охлаждением целого ряда деталей и узлов, что никак не получается ни просто, ни дёшево, особенно, если степень форсирования двигателя, в соответствии с подачей «нитроса», велика.
Конечно, приведённая нами классификация моторного тюнинга весьма условна, т.к. границы между направлениями весьма размыты. Отдать однозначное предпочтение тому или другому способу невозможно, т.к. каждый имеет свои собственные достоинства и недостатки.
Тем не менее возьмём на себя смелость дать общие советы. Уважаемые «тюнингаторы», лучше изучайте «матчасть» и не гонитесь сильно за «бюджетными» вариантами в поисках заказчиков, чтобы потом «не было мучительно больно» за загубленные моторы. А вы, уважаемые заказчики, будьте более разборчивы. Поверьте, там, где идёт диалог типа «Вам сколько сил, 120? Тогда платите 1000 долларов» никаких «120 сил» не будет, а тех, что будут, надолго не хватит.
