Теория и практика определения внешней скоростной характеристики двигателя, или как разрушить некоторые мифы и подтвердить факты о тюнинге двигателя. Часть 1.

Давненько не рассказывал об изменениях в жизни моей старшей «девочки». Постоянные командировки, «зависания» на работе до полуночи не позволяли мне уделять достаточно внимания моей любимой. Но творческий интерес непрерывно и повсюду преследовал меня.
Основной задачей данного этапа построения автомобиля, принципиально отличающегося от стандартного, было прохождение всех «ступенек» сборки и настройки 1.6V16 двигателя – от «стока» до спорт-тюнинга (конечно, не без помощи друзей и коллег сообщества DRIVE2.RU!).
Итак, как писал в предыдущей записи БЖ, на стенде расположился «стоковой» двигатель 1.6, собранный мною этим летом в следующей конфигурации:
www.drive2.ru/cars/zaz/96…/288230376151808810/#post

Но целью данного процесса была не столько его настройка для получения максимальной «отдачи», сколько исследование самого двигателя, подтверждение выводов многочисленных книг и статей по теории ДВС, удовлетворение инженерного любопытства. Ну и конечно, хотелось поделиться результатами исследования влияния тех, или иных настроек двигателя на его технические характеристики, обобщить полученный опыт, выслушать Ваши советы и пожелания, благо появилась возможность оценить все сделанное с научной точки зрения, отбросить все домыслы, разрушить мифы с помощью сертифицированного динамометрического стенда.

План дальнейших действий был выбран следующий:
1. На «стоковом» двигателе (сток-валы, дроссель 46 мм, рессивер 1.5 л, выхлоп 4-2-1, 2 м, стандартная прошивка):
1.1 Обкатка двигателя (этап 1 – «холодная» – 24 часа; этап 2 – без нагрузки (ХХ) – 100 часов, 1000 об./мин.; этап 3 – с нагрузкой – 24 часа, 3000 об./мин.)
1.2 Исследование ВСХ (внешней скоростной характеристики – ВСХ_0)
1.3 Чиповка (изменение угла зажигания и качества смеси)
1.4 Исследование ВСХ (ВСХ_1)
1.5 Удаление паука, свободных выхлоп
1.6 Исследование ВСХ (ВСХ_2)
1.7 Замена дросселя 46 мм на дроссель 55 мм, чиповка
1.8 Исследование ВСХ (ВСХ_3)
1.9 Сопряжение и полировка каналов впуска-выпуска
1.10 Удаление ДМРВ, установка ДАД, чиповка
1.11 Исследование ВСХ (ВСХ_4)
2. Глубокий тюнинг двигателя
2.1 Расточка каналов ГБЦ
2.2 Расширение седел с заменой клапанов, пружин, тарелок
2.3 Установка тюнинговых валов
2.4 Установка разрезных шестерен
2.5 Настройка прошивки
2.7 Исследование ВСХ (ВСХ_5)
2.8 Установка 4-х дроссельного впуска
2.9 Настройка прошивки
2.10 Исследование ВСХ (ВСХ_6)

День первый.
Итак, двигатель на стенде, залиты тосол, масло для обкатки (Mobil 1 Classic SAE 5W-30), проверены все электрические соединения. КПП установлена на 3 передачу. Этап 1. Запуск электростартера. Процесс «холодной» обкатки пошел

Мучительные 24 часа… Прислушиваюсь к каждому шороху. Давление масла в норме, посторонних шумов в КШМ (кривошипно-шатунном механизме) и ГРМ (газораспределительном механизме) не наблюдаю.
Этап 2. Включено зажигание. Несколько оборотов коленвала и вот оно – первое урчание по-настоящему «живого» мотора!
Подключаем отладчик к «Январю» и ПК. Запускаем программу. Связь есть. Снимаем первые данные о работе двигателя.

Все нормально. Теперь потребуется терпенье, терпенье и еще раз терпенье…

День второй.
Продолжение обкатки двигателя на ХХ. Только успеваю заполнять 5-литровую канистру с бензином J. Читаю. Ноутбук и интернет – лучшие помощники для углубления теоретических знаний по теории ДВС и не только…

День третий.
Читаю. Появился посторонний шум, который начал усиливаться. Прислушиваюсь. Шум идет с верхней части. Не дожидаясь печального конца, глушу двигатель. Снимаю рессивер, крышку ГБЦ. Все просто – отвернулась одна из крышек постели распредвала. Затягиваю и снова запуск. Ура, шум пропал!

День четвертый, день пятый.
В голове постоянный гул. Даже когда я в полной тишине. Ощущения не из лучших:-)

День шестой. Этап 3.
Обкатка на ХХ прошла успешно. Очередной запуск. Устанавливаю нагрузку, эквивалентную отбору мощности 30 л.с. Обороты немного проседают. Довожу их до 3000. Температура ползет вверх значительно резвее. Давление в норме. Посторонние шуму отсутствуют. Не дожидаясь следующего дня, подготавливаю аппаратуру для снятия ВСХ.
Кратко позволю себе, как специалисту-радиоэлектронщику, пояснить процесс определения ВСХ. На двухканальный модуль цифрового ввода подается сигнал с датчика, отслеживающего изменение момента двигателя (вращающийся трансформатор, ось которого связана через систему рычагов со статорной обмоткой нагрузочного генератора) и от датчика, определяющего обороты ротора того же нагрузочного генератора. Перед проведением всех измерений модуль ввода калибруется от тестового прецизионного генератора для исключения ошибок при расчете момента и мощности.
Далее в программе обработки ставится режим записи. Запускаем двигатель.
Измерения проводим поочередно на 2-3-4 передачах. Устанавливаем нагрузку и плавно изменяя обороты двигателя от 1000 до 6000 об./мин. снимаем ВСХ.

Полученный результат достаточно прогнозируемый. Здесь нижний график отображает мощность (л.с.), а верхний – момент (Нм). По горизонтали приведены значения об./мин. При отсутствии каких-либо настроек, полученные значения момента и мощности с достаточной точностью соответствуют паспортным данным двигателя. Есть некоторый разбег в кривых момента, снятых на различных передачах, но этот эффект связан с различными коэффициентами потерь мощности в КПП на разных передачах (что, в свою очередь определяется технологическим разбросом при производстве КПП).

Загружаем программу чиповки «мозгов». В качестве изменяемых параметров выбираем изменение угла зажигания и качества смеси (по лямбде). В следующем графике привожу один из лучших результатов, полученных путем многократных регулировок данных параметров.

Как видно из графика, подбор оптимального угла зажигания и качества смеси приводит к некоторому подъему обеих кривых (ориентировочно на 5-8 %).
Еще один интересный прибор, установленный на двигатель и дающий достаточно полную картину о качестве смеси – 4-х канальный измеритель температуры.

Прибор является неотъемлемой частью спортивных самолетов и служит, по сути, его бортовым компьютером. Помимо 4-х канального измерителя температуры в нем присутствует много других функциональных возможностей, но они нас не интересуют. И снова немного теории. Известно, какая пропорция воздуха и бензина освобождает больше всего энергии при сгорании (что эквивалентно наиболее полному сгоранию смеси). С научной точки зрения, идеальная пропорция = 14.6:1, тоесть 14.6 порций воздуха к 1 порции бензина. Имея такое отношение имеем минимальный расход топлива при максимуме мощности. Единственный минус — высокий нагрев мотора, что не является проблемой
для движков с эффективным (водяным) охлаждением, но часто вызывает споры у владельцев воздушников или гоночных аппаратов. Последние часто
настраивают смесь в отношении (около) 12:1, что повышает расход но мотор
греется меньше (богатая смесь сгорает при меньшей температуре). Ну а
бедная смесь вызывает еще больший перегрев мотора, разница в температуре
пламени оптимальной смеси и бедной может легко достигать 500 градусов
(температура сгорания оптимальной находится в районе 850 град.).
Раз оптимальное отношение освобождает максимум энергии, значит работающий на такой смеси мотор выдаст максимум оборотов для текущего положения дросселя. И соответственно отклонение от оптимальных настроек вызовет падение оборотов. Чем мы и воспользуемся.
В качестве датчиков используем термопару, установленную в отверстия, находящиеся в непосредственной близости от выпускного клапана.

Запускаем двигатель и контролируем показания температуры по всем цилиндрам. Во-первых, абсолютное ее значение не должно отличаться от оптимального более чем на 10%, а, во-вторых, разница в показаниях между цилиндрами не должна также быть более 10%. При наличии разницы, превышающей это значение причину нужно искать в исправности форсунок, или в состоянии ГБЦ.
Таким образом, все проведенные выше настройки по лямбде можно проводить и по 4-х канальному t-метру. Полученный результат замеров температуры (870 град.) подтвердил, что полученные ранее настройки являются для данной конфигурации оптимальными.

Наиболее интересен результат, полученный после удаление паука, т.е. на свободном выхлопе. Здесь необходимо напомнить, что все предыдущие результаты получены при длине выпускного коллектора порядка 2 м.
В начале необходимо рассмотреть функции выпускной системы. Известно, что в выпускной системе присутствует три процесса. Первый — сдемпфированное в той или иной степени истечение газов по трубам. Второй — гашение акустических волн с целью уменьшения шума. И третий — распространение ударных волн в газовой среде. Любой из названных процессов мы будем рассматривать с позиции его влияния на коэффициент наполнения. Строго говоря, нас интересует давление в коллекторе у выпускного клапана в момент его открытия. Понятно, что чем меньшее давление, а лучше даже ниже атмосферного, удастся получить, тем больше будет перепад давления от впускного коллектора к выпускному, тем больший заряд получит цилиндр в фазе впуска. Выпускная труба служит для отвода выхлопных газов за пределы кузова автомобиля. Совершенно понятно, что она не должна оказывать существенного сопротивления потоку. Если по какой то причине в выпускной трубе появился посторонний предмет, закрывающий поток газов, то давление в выпускной трубе не будет успевать падать, и в момент открытия выпускного клапана давление в коллекторе будет противодействовать очистке цилиндра. Коэффициент наполнения упадет, так как оставшееся большое количество отработанных газов не позволит наполнить цилиндры в прежней степени свежей смесью. Соответственно, двигатель не сможет вырабатывать прежний вращающий момент. Как только двигатель подвергся изменениям с целью увеличения мощности (будь то увеличение рабочего объема или увеличение момента на высоких оборотах), сразу увеличивается расход газа через выпускную трубу и следует ответить на вопрос, а не создает ли теперь в новых условиях избыточного сопротивления серийная выпускная система. Так что из рассмотрения первого процесса, обозначенного нами, следует сделать вывод о достаточности размеров труб. Совершенно понятно, что после некоторого разумного размера увеличивать сечение труб для конкретного двигателя бессмысленно, улучшения не будет. Известно, что для двигателя объемом 1600 куб. см, имеющего хороший вращающий момент до 8000 об./мин., вполне достаточно трубы диаметром 52 мм. Теперь определим, каким образом двигатель, благодаря настройке выпуска, получает дополнительную мощность. Приведу краткую выдержку из теории, описанной во многих интернет-источниках и литературе.
Как сказано выше, коэффициент наполнения, вращающий момент и мощность зависят от перепада давления между впускным и выпускным коллекторами в фазе продувки. Выпускную систему можно построить таким образом, что распространяющиеся в трубах ударные волны, отражаясь от различных элементов системы, будут возвращаться к выпускному клапану в виде скачка давления или разрежения. Этот процесс дозарядки цилиндров с помощью ударных волн в выпускных трубах может позволить получить высокий коэффициент наполнения и, как следствие, дополнительную мощность. Только такой процесс нужно организовать.
Первым необходимым условием дозарядки цилиндров с помощью ударных волн надо назвать существование достаточно широкой фазы перекрытия клапанов. Учитывая, что мы работаем со сток-валами, пока эту тему закроем (см. следующие записи БЖ).
Второе условие — это необходимость вернуть к выпускному клапану ударную волну. Причем в многоцилиндровых двигателях вовсе необязательно возвращать ее в тот цилиндр, который ее сгенерировал. Более того, выгодно возвращать ее, а точнее, использовать в следующем по порядку работы цилиндре. Дело в том, что скорость распространения ударных волн в выпускных трубах — есть скорость звука. Для того чтобы возвратить ударную волну к выпускному клапану того же цилиндра, предположим, на скорости вращения 6000 об/мин, надо расположить отражатель на расстоянии примерно 3,3 метра. Путь, который пройдет ударная волна за время двух оборотов коленчатого вала при этой частоте, составляет 6,6 метра. Это путь до отражателя и обратно. Отражателем является, например, резкое многократное увеличение площади трубы (срез трубы в атмосферу). Таким образом, настроенная на 6000 об./мин. выпускная система для четырехцилиндрового двигателя будет выглядеть как четыре трубы, отходящие от выпускных окон каждого цилиндра, желательно прямые, длиной 3,3 метра каждая. Но это технологически трудно реализуемо.
Сократить геометрические размеры выпускной системы, настроенной на те же 6000 об/мин, вполне можно, если мы будем использовать ударную волну следующим по порядку работы цилиндром. Фаза выпуска в нем наступит для четырехцилиндрового двигателя через 180 градусов. Соответственно, интервал времени, а следовательно, и длина отводящей от выпускного окна трубы пропорционально уменьшается и для, например, четырехцилиндрового двигателя сократится в четыре раза, что составит 0,82 метра. Стандартное в таком случае решение — всем известный и желанный "паук". Длина от выпускных клапанов до места соединения нам уже известна — для 6000 об/мин примерно 820 мм. Работа такого "паука" состоит в том, что следующий за ударной волной скачок разрежения, достигая места соединения всех труб, начинает распространяться в обратном направлении в остальные три трубы. В следующем по порядку работы цилиндре в фазе выпуска скачок разрежения выполнит нужную для нас работу.
Тут надо сказать, что существенное влияние на работу выпускной системы оказывает также длина вторичной трубы. Если конец вторичной трубы выпущен в атмосферу, то импульсы атмосферного давления будут распространяться во вторичной трубе навстречу импульсам, сгенерированным двигателем. Суть настройки длины вторичной трубы состоит в том, чтобы избежать одновременного появления в месте соединения труб импульса разрежения и обратного импульса атмосферного давления.
Следует также упомянуть о варианте "два в один — два в один" или "два Y", который наиболее часто встречается в тюнинговых автомобилях, так как легко компонуется в стандартные кузова и не слишком сильно отличается по размерам и форме от стандартного выпуска. Устроен он достаточно просто. Сначала трубы соединяются попарно от первого и четвертого цилиндров в одну и второго и третьего в одну как цилиндров, равноотстоящих друг от друга на 180 градусов по коленчатому валу. Две образовавшиеся трубы также соединяются в одну на расстоянии, соответствующем частоте резонанса. Расстояние измеряется от клапана по средней линии трубы. Попарно соединяющиеся первичные трубы должны соединяться на расстоянии, составляющем треть общей длины.
Поскольку настроенный выпуск суть есть колебательная система, резонансные свойства которой мы используем, то понятно, что ее количественная характеристика — добротность — вполне может быть разной. Так как добротность — энергетическая характеристика, то она неразрывно связана с шириной резонансной зоны. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что если мы получим большой выигрыш по моменту, то только в узком диапазоне оборотов для высокодобротной системы. И наоборот, если диапазон оборотов, в котором достигается улучшение, велик, то по величине выигрыш незначительный, это низкодобротная система. Таким образом, настроенный двигатель с такой системой будет иметь ярко выраженный "подхват" в зоне резонанса. И совершенно никакой на других оборотах.
Так как мотор на стенде и нет ограничений в конфигурации труб из-за отсутствующего кузова, все достаточно просто. Необходимо предусмотреть изменение длин труб. Хороший и быстрый результат дают различного рода телескопические вставки, позволяющие менять длины элементов в разумных пределах. Математический расчет здесь — событие чрезвычайно маловероятное, т.к. слишком много факторов влияют на конечный результат. Поскольку мы решили, что будем добиваться максимальной мощности, то лучший в этом смысле вариант, если мы получим прирост момента на том участке моментной кривой, где коэффициент наполнения, а следовательно, и момент начинают существенно падать из-за высокой скорости вращения, т.е. мощность перестанет расти. Тогда небольшое приращение момента даст существенный выигрыш в мощности. Для того чтобы узнать эту частоту, необходимо как минимум иметь моментную кривую двигателя с ненастроенным выхлопом, т.е., например, со стандартным коллектором, открытым в атмосферу (что мы и сделали ранее). Теперь, когда нам известна частота настройки, нагружаем двигатель так, чтобы обороты стабилизировались в нужной точке кривой при на 100% открытом дросселе. Цель — подобрать такую приемную трубу или "паук", а точнее ее длину, чтобы получить прирост момента на нужной частоте. При попадании в нужную точку динамометр сразу отзовется увеличением измеряемой силы. Только после этого можно уже приступать к проектированию и изготовлению рабочей системы. Учитывая, что совместной настройке подлежит выпускная система, впускные и выпускные каналы головки, форма камеры сгорания, фазы газораспределения (распредвал), впускной коллектор, система питания и система зажигания, настройку «стокового» мотора можно считать пустой тратой времени (эксперименты по настройке будут описаны в следующих записях БЖ).
Но еще один эксперимент и его результат, я приведу. Суть его заключалась в том, чтобы оценить изменение момента и мощности на «свободном» выхлопе (без «паука» и вторичных труб). Для этого снимем выпускной коллектор и проведем повторные измерения (по причине очень сильного зашумления – только для 2-ой передачи :-).

Итак, график наглядно демонстрирует незначительное, но уменьшение максимальных значений момента и мощности при отсутствии выпускной системы. Таким образом, миф о том, что двигатель «прет» тем лучше, чем громче – разрушен.

Продолжение следует . . .